一種針對Massive MIMO通信系統(tǒng)能量有效的天線選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對Massive?MIMO通信系統(tǒng)能量有效的天線選擇方法。首先確定各個(gè)用戶的大尺度衰落因子，并從中選擇出最優(yōu)的大尺度衰落因子，然后確定最優(yōu)的發(fā)送天線數(shù)目和相應(yīng)的子集。本發(fā)明基于全面考慮收發(fā)端的功率消耗，分析并給出了Massive?MIMO能量效率最優(yōu)的天線選擇方法，使得Massive?MIMO系統(tǒng)的能量效率有極大提高；在基站天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可服務(wù)終端數(shù)的情況下，所給出的預(yù)編碼矩陣將信道容量的表達(dá)式由對數(shù)行列式形式轉(zhuǎn)化成了加和對數(shù)形式，極大地簡化了能量效率的求解問題；對能量效率的各個(gè)參數(shù)，發(fā)射端天線數(shù)目及子集和可服務(wù)移動終端子集進(jìn)行了與聯(lián)合優(yōu)化等價(jià)的分布優(yōu)化，極大地降低了Massive?MIMO系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。
【專利說明】-種針對Mass i ve ΜI MO通信系統(tǒng)能量有效的天線選擇方 法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種針對Massive ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)能量有 效的天線選擇方法。 【背景技術(shù)】
[0002] MIM0(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)，即多輸入多輸出技術(shù)，被視為是 未來通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信息高速傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。ΜΜ0技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了點(diǎn)對點(diǎn)ΜΜ0， 多用戶ΜΜ0以及到現(xiàn)在的Massive ΜΜ0,每一次的發(fā)展都對通信界產(chǎn)生了重大的影響。 Massive ΜΙΜΟ帶來的好處有當(dāng)基站天線數(shù)趨于無窮時(shí)，快衰落影響以及其他不相關(guān)噪聲的 影響都會消失，從而使得吞吐量和可服務(wù)的移動終端數(shù)與小區(qū)尺度無關(guān)，并且使得頻譜效 率與帶寬無關(guān)以及每比特傳輸?shù)哪芰口呌诹恪?br> [0003] 與傳統(tǒng)的ΜΜ0通信系統(tǒng)有關(guān)能量效率的方法不同，本發(fā)明是關(guān)于基站有幾百根、 甚至上千根天線，而移動終端數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基站天線數(shù)的Massive ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)中的高能 量效率的天線選擇方法。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)主要集中于提高系統(tǒng)的吞吐量，而如今由 于通信中能量消耗的問題愈加嚴(yán)重，設(shè)計(jì)高性能的能量效率的通信系統(tǒng)越來越緊迫。在 Massive ΜΜ0通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的吞吐量有了很大的提高，但是Massive ΜΜ0系統(tǒng)中，發(fā) 送天線個(gè)數(shù)很多。發(fā)送/接收天線數(shù)目越多，所使用的射頻鏈路也越多，而每個(gè)射頻鏈路包 括功率放大器，A/D轉(zhuǎn)換，混頻器和濾波器等，由于這些器件都需要消耗能量，所以天線數(shù)越 多，能量消耗越大。因此很有必要進(jìn)行天線選擇，從而降低能量消耗的同時(shí)提高系統(tǒng)的能量 效率。此外，降低能耗同時(shí)也符合Green Touch組織的目標(biāo)宗旨。
[0004] 由于Massive ΜΙΜ0是近幾年來剛興起的技術(shù)，有關(guān)Massive ΜΙΜ0能量效率的問 題還沒有取得太大的進(jìn)展，雖然也取得了部分研究成果，但主要是集中在通過天線選擇來 提高系統(tǒng)的能量效率方面，這些研究成果在對能量效率的求解過程中對信道的分析都不夠 充分，有的只考慮了信道的小尺度衰落，有的則只考慮大尺度衰落，并且對整個(gè)通信系統(tǒng)的 能耗問題考慮的也不夠全面，因此所提出方法的優(yōu)化參數(shù)較為單一，比如只對發(fā)送天線個(gè) 數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，且復(fù)雜度較高。
[0005] 基于上述問題，本發(fā)明提出一種針對Massive ΜΙΜ0通信系統(tǒng)能量有效的天線選擇 方法。該方法對三個(gè)參數(shù)，即發(fā)射天線個(gè)數(shù)、發(fā)送天線子集、可服務(wù)終端子集，進(jìn)行了與聯(lián)合 優(yōu)化等價(jià)的分步優(yōu)化，復(fù)雜度很低。首先，根據(jù)預(yù)編碼矩陣確定整個(gè)系統(tǒng)的信道容量。然 后，確定Massive ΜΜ0通信系統(tǒng)中的功率消耗模型，特別是符合大規(guī)模天線的功率消耗特 點(diǎn)的基帶功率消耗模型。最后，對發(fā)射天線數(shù)、發(fā)送天線子集、可服務(wù)移動終端子集進(jìn)行聯(lián) 合優(yōu)化。本發(fā)明的有益效果是：在考慮發(fā)送端射頻鏈路功耗，基帶DSP功耗，接收射頻鏈路 功率消耗的鏈路模型中，分析并給出了 Massive ΜΙΜ0能量效率最優(yōu)的天線選擇方法，使得 Massive ΜΙΜ0系統(tǒng)的能量效率有極大的提1? ;在基站天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于移動終端數(shù)的情況 下，所給出的預(yù)編碼矩陣將信道容量的表達(dá)式由對數(shù)行列式形式轉(zhuǎn)化成了加和對數(shù)形式， 極大地簡化了能量效率的求解問題；對能量效率的各個(gè)參數(shù)，發(fā)射端天線數(shù)目及子集和可 服務(wù)移動終端子集進(jìn)行了與聯(lián)合優(yōu)化等價(jià)的分布優(yōu)化，極大地降低了 Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)的 復(fù)雜度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明能夠在計(jì)算復(fù)雜度不高的情況下，通過天線選擇的方式提高整個(gè)系統(tǒng)的能 量效率。在TDD下行鏈路中，使用0FDM技術(shù)，通過對發(fā)送天線數(shù)、發(fā)送天線子集、可服務(wù)移 動終端子集的聯(lián)合優(yōu)化來最大化系統(tǒng)的能量效率。
[0007] 本發(fā)明提出了一種針對Massive ΜΜ0通信系統(tǒng)能量有效的天線選擇方法，其中涉 及了一種聯(lián)合優(yōu)化發(fā)送天線數(shù)、發(fā)送天線子集、可服務(wù)終端子集以最大化系統(tǒng)能量效率的 技術(shù)方案，其包括：
[0008] 步驟1 :根據(jù)接收信號確定預(yù)編碼矩陣及信道容量模型：
[0009] 步驟2 :建立功率消耗模型，并基于所述信道容量模型和所述功率消耗模型建立 能量效率模型。
[〇〇1〇] 步驟3,對所述能量效率模型進(jìn)行與聯(lián)合優(yōu)化等價(jià)的分布優(yōu)化，得到最優(yōu)發(fā)送天線 個(gè)數(shù)和最優(yōu)可服務(wù)移動終端子集。
[0011] 步驟4,根據(jù)所述最優(yōu)可服務(wù)移動終端子集和所述信道容量模型確定系統(tǒng)信道容 量的門限值，其中該門限值對應(yīng)的發(fā)送天線個(gè)數(shù)為10倍的最優(yōu)可服務(wù)移動終端個(gè)數(shù)；
[0012] 步驟5,根據(jù)所述最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)和最優(yōu)可服務(wù)移動終端子集計(jì)算相應(yīng)的信道 容量；判斷該信道容量是否大于給定的信道容量門限值；如果大于，則進(jìn)行步驟6 ;如果不 大于，則進(jìn)行步驟7。
[0013] 步驟6,將最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)重新賦值為信道容量門限對應(yīng)的天線個(gè)數(shù)，即10倍 的可服務(wù)移動終端個(gè)數(shù)，并利用重新賦值的最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)計(jì)算最優(yōu)能量效率。
[0014] 步驟7,根據(jù)步驟203確定的最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)直接計(jì)算最優(yōu)能量效率。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：
[0016] (1)、所建立的|吳型綜合考慮了基站端、接收端射頻鏈路的功率消耗，對基帶的功 率消耗使用了專門用于大規(guī)模集成電路的功率消耗模型，在此基礎(chǔ)上對Massive ΜΜ0通信 系統(tǒng)的能量效率進(jìn)行了優(yōu)化，極大地提高了系統(tǒng)的能量效率。
[0017] (2)、在基站天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可服務(wù)移動終端數(shù)的情況下，所使用的預(yù)編碼矩陣將 信道容量的表達(dá)式由對數(shù)行列式形式轉(zhuǎn)化成了加和對數(shù)形式，極大地簡化了能量效率的求 解問題；
[0018] (3)、對能量效率中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了與聯(lián)合優(yōu)化等價(jià)的分步優(yōu)化，從而在不增加計(jì) 算復(fù)雜度的情況下獲得同樣好的性能。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 下面將通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 更清楚本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具體流程圖。 【具體實(shí)施方式】[0021] 下面通過實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。[0022] 圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具體方法流程，主要包括以下步驟。[0023] 在步驟201中，根據(jù)接收信號確定預(yù)編碼矩陣及信道容量：[0024] -般通信系統(tǒng)中接收信號yf和預(yù)編碼矩陣F的定義分別為：
【權(quán)利要求】
1. 一種針對Massive MMO系統(tǒng)的能量有效的天線選擇方法，其包括： 步驟1 :根據(jù)接收信號確定預(yù)編碼矩陣及信道容量模型： 步驟2 :建立功率消耗模型，并基于所述信道容量模型和所述功率消耗模型建立能量 效率模型。 步驟3,對所述能量效率模型進(jìn)行與聯(lián)合優(yōu)化等價(jià)的分布優(yōu)化，得到最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù) 和最優(yōu)可服務(wù)移動終端子集。 步驟4,根據(jù)所述最優(yōu)可服務(wù)移動終端子集和所述信道容量模型確定系統(tǒng)信道容量的 門限值，其中該門限值對應(yīng)的發(fā)送天線個(gè)數(shù)為10倍的最優(yōu)可服務(wù)移動終端個(gè)數(shù)； 步驟5,根據(jù)所述最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)和最優(yōu)可服務(wù)移動終端子集計(jì)算相應(yīng)的信道容量； 判斷該信道容量是否大于給定的信道容量門限值；如果大于，則進(jìn)行步驟6 ;如果不大于， 則進(jìn)行步驟7。 步驟6,將最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)重新賦值為信道容量門限對應(yīng)的天線個(gè)數(shù)，即10倍的可 服務(wù)移動終端個(gè)數(shù)，并利用重新賦值的最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)計(jì)算最優(yōu)能量效率。 步驟7,根據(jù)步驟203確定的最優(yōu)發(fā)送天線個(gè)數(shù)直接計(jì)算最優(yōu)能量效率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于發(fā)送天線個(gè)數(shù)Μ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可服務(wù)的移動終 端數(shù)Κ，所述接收信號為

【文檔編號】H04L27/26GK104113366SQ201410364997
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】謝剛, 胡碧波, 劉元安, 倪楓, 劉凱明, 劉芳 申請人:北京郵電大學(xué)