一種上行大規(guī)模mimo聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種上行大規(guī)模MIMO聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方法。針對的場景是采用最小均方誤差(MMSE)接收機的上行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。基站在獲取統(tǒng)計信道狀態(tài)信息之后，得到經(jīng)過MMSE接收機處理過的用戶的上行速率，繼而得到以用戶速率表示的用戶發(fā)射功率。據(jù)此建立能效優(yōu)化目標。通過有限次迭代得到優(yōu)化的基站天線數(shù)和用戶速率。每次迭代中，所得到的優(yōu)化解均為閉合表達式。最后，基站根據(jù)用戶速率與功率的關(guān)系，得到優(yōu)化的用戶上行發(fā)射功率，進而完成基站天線數(shù)和用戶的發(fā)送功率的聯(lián)合優(yōu)化。本發(fā)明的算法執(zhí)行過程中僅利用統(tǒng)計信道狀態(tài)信息，避免了涉及大維瞬時信道矩陣的操作。降低了計算復雜度。
【專利說明】
-種上行大規(guī)模MI MO聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明提供一種大規(guī)模MIMO上行鏈路中聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的 方法，屬于信息信號處理及通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模MIMO是下一代蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有重要的研究價值。通過 在基站端配置大量的天線，可W獲得很高的空間分辨率和陣列增益，因此，通過簡單的信號 處理就能達到良好的性能。理論上，當基站天線數(shù)無限大時，通過線性接收機，可W消除小 尺度衰落和噪聲。大規(guī)模MIMO優(yōu)勢之一是提高能效，而能效對于上行鏈路是至關(guān)重要的，因 為移動端的電源一般都容量有限。
[0003] 已有設(shè)計方案提出了 W最大化能效為目標的聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)、用戶數(shù)和下行 鏈路發(fā)送功率的方案。但是，沒有給出最優(yōu)解的閉式表達式，而且該方案中假設(shè)所有用戶的 速率約束是相同的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種能夠顯著提高能效、 降低基站天線數(shù)、迭代次數(shù)少的上行大規(guī)模MIMO聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法。
[0005] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種上行大規(guī)模MIMO聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方法。針對的場景是 采用最小均方誤差(MM沈)接收機的上行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)?；驹讷@取統(tǒng)計信道狀態(tài)信息之 后，得到經(jīng)過MMSE接收機處理過的用戶的上行速率，繼而得到W用戶速率表示的用戶發(fā)射 功率。據(jù)此建立關(guān)于聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶速率的能效優(yōu)化目標。將能效優(yōu)化目標轉(zhuǎn) 化成線性規(guī)劃問題;對線性規(guī)劃問題通過有限次迭代得到優(yōu)化的基站天線數(shù)和用戶速率。 每次迭代中，所得到的優(yōu)化解均為閉合表達式。最后，基站根據(jù)用戶速率與功率的關(guān)系，得 到優(yōu)化的用戶上行發(fā)射功率，進而完成基站天線數(shù)和用戶的發(fā)送功率的聯(lián)合優(yōu)化。本發(fā)明 的算法執(zhí)行過程中僅利用統(tǒng)計信道狀態(tài)信息，避免了設(shè)及大維瞬時信道矩陣的操作。只有 當用戶數(shù)或者統(tǒng)計信道信息發(fā)生變化時，才需要重新運行，降低了計算復雜度。
[0007] W能效作為性能指標，
[000引
[0009] 其中，口表示系統(tǒng)能效，巧表示第k個用戶的可達速率，P表示系統(tǒng)消耗的功率：
[0010]
[0011]其中PkA表示第k個用戶的實際發(fā)射功率，Iie (0,1]是功率放大器系數(shù)，Ptc=MPbs+KPu+ Psyn表示收發(fā)機鏈路功率，K表示用戶數(shù)，M表示基站天線數(shù)，Pbs和Pu分別表示每個基站天線和用 戶的電路功率，Psyn是基站振蕩器消耗的功率，
表示信道估計功率，L是每焦耳能量可W 執(zhí)行的操作次數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間段， 表示MMSE檢測的功率，Par表示系統(tǒng)架構(gòu)功耗。
[0012]在大規(guī)模MIMO上行鏈路中，使用MM沈接收機處理之后的第k個用戶的近似速率為
[0013] Tk = CO log2(l+M0kPk〇-2)，
[0014] 其中
良示用于信道估計的導頻開銷的部分，T表示大尺度信息保持不變 的時間段，K表示用戶數(shù)，M表示基站天線數(shù)，Pk表示第k個用戶的有效發(fā)射功率，故表示第k個 用戶的大尺度衰落，O2表示噪聲方差。得到第k個用戶的實際發(fā)射功率為
[0015]
[0016] 其中，Pk表示第k個用戶的有效發(fā)射功率，Tl是功率放大器系數(shù)，a表示第k個用戶的 近似速率
g示用于信道估計的導頻開銷的部分，T表示大尺度信息保持不變的時 間段，K表示用戶數(shù)，M表示基站天線數(shù)，故表示第k個用戶的大尺度衰落，O2表示噪聲方差。因 此，系統(tǒng)的總功率表示為
[0017]
[001引 化S是基站天線的電路功耗，L是每焦耳能量可W執(zhí)行的 操作次數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間段，K表示用戶數(shù)：
Pu是用戶的電路功耗，Psyn是其站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗，n是功率放大器系數(shù)， rk表示第k個用戶的近似速^
g示用于信道估計的導頻開銷的部分，M表示基站 天線數(shù)，故表示第k個用戶的大尺度衰落，O2表示噪聲方差。因此，可W將能效優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化
為關(guān)于M未nn'的尿I掀-棄完兩
[0019]
[0020] 其中，U(;r，M)表示由近似速率和天線數(shù)構(gòu)成的能效優(yōu)化函數(shù)，r=[;ri，...，打]嗦示用 戶速率，n表示MM沈接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，K表示用戶數(shù)， M是基站天線數(shù)，O2是噪聲方差，n是功率放大器系數(shù)
i示導頻開銷部分，T表示大尺 度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)，
；是 基站天線的電路功耗，L是每焦耳可W承擔的操作
Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。
[0021 ]引入?yún)?shù)q，將分式規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題：
[0022]
，
[002；3] 其中，f(r，M，q)表示線性規(guī)劃的目標函數(shù)，r=[n，...，打]嗦示用戶速率，n表示MMSE 接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，K表示用戶數(shù)，M是基站天線數(shù)，q 表示能效的參數(shù)，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)：
表示導頻開銷部分，T表示大 尺度信息保持不變的時間段，故表示用戶信道的大尺度參數(shù)，；
是基站天線的電路功耗
L是每焦耳可W承擔的操作 量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。
[0024] 將線性規(guī)劃問題分成兩層解決，在外層循環(huán)運用對分法，找到滿足f (r，M，q)=0的 參數(shù)q。按下式確定能效參數(shù)q:
[0025]
[0026] 其中，q表示能效的參數(shù)，qmin表示外層循環(huán)的捜索下界，q"ax表示外層循環(huán)的捜索 上界，具體初始值為：
[0027]
[002引
[0029] 其中，qmin表示外層循環(huán)的捜索下界，qmax表示外層循環(huán)的捜索上界，K表示用戶數(shù)， 曰2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)
表示導頻開銷部分，T表示大尺度信息保持不變 的時間段，化表示用戶信道的大尺度參數(shù)，
>bs是基站天線的電路 功耗，L是每焦耳可W承擔的操作量。
[0030] 當外層中的參數(shù)q給定后，需要解決的內(nèi)層優(yōu)化問題為：
[0031]
，
[0032] 其中，g(r，M)表示內(nèi)層優(yōu)化問題的目標函數(shù)，r=[ri，.. .，rK]嗦示用戶速率，rK表示 MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，T表示矩降掉晉，K表示用戶數(shù)，M是基站天線 數(shù)，q表示能效的參數(shù)，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)
表示導頻開銷部分，T表示 大尺度信息保持不變的時間段，故表示用戶信道的大尺度參數(shù)

作量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。 Pbs是基站天線的電路功耗 L是每焦耳可W承擔的操 ，'
[003引 時，內(nèi)層優(yōu)化問題的閉式解為：
[0034]
[0035]
[0036] 其中，M表示內(nèi)層優(yōu)化的基站天線數(shù),?表示內(nèi)層優(yōu)化的用戶速率，K表示用戶數(shù)， q表示能效的參數(shù)，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)，
表示導頻開銷部分，T表示大 尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)，
是基站天線的電路功耗
L是每焦耳可W承擔的操作 量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。
[0037] 判斷迭代算法是否終止。如果
表示線性規(guī)劃的目標函數(shù)
表示用戶速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，&表示內(nèi)層優(yōu)化的 用戶速率，M表示內(nèi)層優(yōu)化的基站天線數(shù)，q表示能效的參數(shù)。當kmin-qmaxi〉e，繼續(xù)進行內(nèi) 層迭代求妊和6-;當kmin-qmax I < e，迭代算法終止，得到整個問題的優(yōu)化解。其中，Qmin表示 算法的捜索下界，qmax表示算法的捜索上界，e表示捜索闊值。
[0038] 確定優(yōu)化的基站天線數(shù)的方法如下：
[0039] 將優(yōu)化的基站天線數(shù)M進行取整，和優(yōu)化的用戶速率4帶入能效優(yōu)化模型，得到 能效一
[0042] 如果
表
[0040]
[0041] 示基站天線數(shù)為[益」且用戶速率為f =R,...，6 f時的能效，C/;和「麻節(jié)表示基站天線數(shù)為 -M]且用戶速率為F = [g，.,,冷f時的能效，6表示優(yōu)化的用戶速率，M*表示優(yōu)化的基站天線數(shù)， -近1表示孩向上取整，L廢」表示德向下取整，K表示用戶數(shù)，O 2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)，
表示導頻開銷部分，T表示大尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度 參數(shù)，
bs是基站天線的電路功耗，
L是每焦耳可W承擔的操作量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架 構(gòu)功耗。
[0043] 得到優(yōu)化發(fā)送功率為a-的方法：
[0044]
[0045] 其中，表示第k個用戶的優(yōu)化發(fā)送功率，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)，
表示導頻開銷部分，K表示用戶數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間段，化表示用 戶信道的大尺度參數(shù)4表示優(yōu)化的用戶速率，1^表示優(yōu)化的基站天線數(shù)。
[0046] 有益效果:本發(fā)明提供的上行大規(guī)模MIMO聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的 方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有W下有益效果：
[0047] 本發(fā)明通過基站在獲取用戶數(shù)和統(tǒng)計信道信息之后，在采用本發(fā)明提出的算法計 算出優(yōu)化的基站天線數(shù)和每個用戶的發(fā)射功率。然后將其告知每個用戶。之后，基站使用 MMSE接收機檢測信號。因為只有當用戶數(shù)變化或者統(tǒng)計信道信息發(fā)生變化時，才需要執(zhí)行 本發(fā)明提出的算法，所W計算復雜度較低。因此本發(fā)明所提算法可W顯著提高能效，特別是 降低基站天線數(shù)。同時運個算法是收斂的，每次迭代都給出了優(yōu)化方案的閉式表達式，經(jīng)過 少量迭代就能找到優(yōu)化解。本發(fā)明只需要統(tǒng)計信道狀態(tài)信息，避免了設(shè)及大維瞬時信道矩 陣的計算。
【附圖說明】
[0048] 圖1是本發(fā)明中所提聯(lián)合優(yōu)化算法與僅優(yōu)化用戶發(fā)射功率或僅優(yōu)化基站天線數(shù)算 法的能效比較；
[0049] 圖2是本發(fā)明所提聯(lián)合優(yōu)化算法與僅優(yōu)化用戶發(fā)射功率或僅優(yōu)化基站天線數(shù)算法 的基站天線數(shù)和平均發(fā)射功率比較；
[0050] 圖3是本發(fā)明所提聯(lián)合優(yōu)化算法收斂性的仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解運些實例僅用于說明本 發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種 等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0052] 一種上行大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法。針對的場景是采用最小均方誤差(MMSE)接收機的上行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)?；驹讷@取統(tǒng) 計信道狀態(tài)信息之后，得到經(jīng)過MMSE接收機處理過的用戶的上行速率，繼而得到W用戶速 率表示的用戶發(fā)射功率。據(jù)此建立關(guān)于聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶速率的能效優(yōu)化目標。 采用本方法可W通過有限次迭代得到優(yōu)化的基站天線數(shù)和用戶速率。每次迭代中，所得到 的優(yōu)化解均為閉合表達式。最后，基站根據(jù)用戶速率與功率的關(guān)系，得到優(yōu)化的用戶上行發(fā) 射功率，進而完成基站天線數(shù)和用戶的發(fā)送功率的聯(lián)合優(yōu)化。本發(fā)明的算法執(zhí)行過程中僅 利用統(tǒng)計信道狀態(tài)信息，避免了設(shè)及大維瞬時信道矩陣的操作。只有當用戶數(shù)或者統(tǒng)計信 道信息發(fā)生變化時，才需要重新運行，降低了計算復雜度。
[0053] W能效作為性能指標，
[0化4]
[0化5]其中，￡7表示系統(tǒng)能效，5表示第k個用戶的可達速率，P表示系統(tǒng)消耗的功率：
[0化6]
[0057]其中PkA表示第k個用戶的實際發(fā)射功率，昨(〇，1促功率放大器系數(shù)，Ptc=MPbs+KPu+ Psyn表示收發(fā)機鏈路功率乂表示用戶數(shù)，M表示基站天線數(shù)，Pbs和Pu分別表示每個基站天線和用 戶的電路功率，Psyn是基站振蕩器消耗的功率：
表示信道估計功率，L是每焦耳能量可W 執(zhí)行的操作次數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間段， 表示MMSE檢測的功率，Par表示系統(tǒng)架構(gòu)功耗。
[005引在大規(guī)模MIMO上行鏈路中，使用MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速率為
[0059] Tk = CO log2(l+M0kPk〇-2)，
[0060] 其中，
表示用于信道估計的導頻開銷的部分，T表示大尺度信息保持不變 的時間段，K表示用戶數(shù)，M表示基站天線數(shù)，Pk表示第k個用戶的有效發(fā)射功率，故表示第k個 用戶的大尺度衰落，O2表示噪聲方差。得到第k個用戶的實際發(fā)射功率為
[0061]
[0062] 其中，Pk表示第k個用戶的有效發(fā)射功率，Tl是功率放大器系數(shù)，rk表示第k個用戶的 近似速率
表示用于信道估計的導頻開銷的部分，T表示大尺度信息保持不變的時 間段，K表示用戶數(shù)，M表示基站天線數(shù)，化表示第k個用戶的大尺度衰落，O2表示噪聲方差。因 此，系統(tǒng)的總功率表示為
[0063]
[0064] Pbs是基站天線的電路功耗，L是每焦耳能量可W執(zhí)行的 操作次數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間既K表示用戶數(shù)，
Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗，n是功率放大器系數(shù)， rk表示第k個用戶的近似速率
表示用于信道估計的導頻開銷的部分，M表示基站 天線數(shù)，&表示第k個用戶的大尺度衰落，O2表示噪聲方差。因此，可W將能效優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化 為關(guān)于M和rk的函數(shù)，表示為
[00 化]
[0066] 其中，U(r，M)表示由近似速率和天線數(shù)構(gòu)成的能效優(yōu)化函數(shù)，r=[ri，. . .，rK]T表示 用戶速率，rk表示MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，K表示用戶數(shù)， M是基站天線數(shù)，O2是噪聲方差，n是功率放大器系數(shù)，
良示導頻開銷部分，T表示大尺
度信息保持不變的時間段，故表示用戶信道的大尺度 站天線的電路功耗，L是每焦耳可W承擔的操作量， 是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架例功巧。
[0067] 引入?yún)?shù)q，將分式規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題：
[006引
[0069]其中，f(;r，M，q)表示線性規(guī)劃的目標函數(shù)，r=[;ri，. . .，;tk]t表示用戶速率，rk表示 MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，K表示用戶數(shù)，M是基站天線數(shù)，q 表示能效的參數(shù)，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)
g示導頻開銷部分，T表示大 尺度信息保持不變的時間段，故表示用戶信道的大尺度參數(shù)，
是基站天線的電路功耗
.是每焦耳可W承擔的操作 量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。
[0070] 將線性規(guī)劃問題分成兩層解決，在外層循環(huán)運用對分法，找到滿足f (r，M，q)=0的 參數(shù)q。按下式確定能效參數(shù)q:
[0071]
[0072] 其中，q表示能效的參數(shù)，qmin表示外層循環(huán)的捜索下界，q"ax表示外層循環(huán)的捜索 上界，具體初始值為：
[0073]
[0074]
[0075] 其中，qmin表示外層循環(huán)的捜索下界，qmax表示外層循環(huán)的捜索上界，K表示用戶數(shù)， 曰2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)
表示導頻開銷部分，T表示大尺度信息保持不變 的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)，
，Pbs是基站天線的電路 功耗，L是每焦耳可W承擔的操作量。
[0076] 當外層中的參數(shù)q給定后，需要解決的內(nèi)層優(yōu)化問題為：
[0077]
[007引其中，g(:r，M)表示內(nèi)層優(yōu)化問題的目標函數(shù)，r=[;ri，.. .，rK]嗦示用戶速率，:TK表示 MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，K表示用戶數(shù)，M是基站天線數(shù)，q 表示能效的參數(shù)，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)
表示導頻開銷部分，T表示大 尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)：
Pbs 是基站天線的電路功耗，
L是每焦耳可W承擔的操作 量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。
[OO巧] ，V皮時，內(nèi)層優(yōu)化問題的閉式解為：
[0080]
[0081]
[0082] 其中，M表示內(nèi)層優(yōu)化的基站天線數(shù),?表示內(nèi)層優(yōu)化的用戶速率，K表示用戶數(shù)， q表示能效的參數(shù)，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)
良示導頻開銷部分，T表示大 尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)：
，Pbs
量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。[0083] 判斷迭代算法是否終止。如果
，qmax = q，否則qmin=q，其中， 是基站天線的電路功耗， L是每焦耳可W承擔的操作 .f /(f，M，.g)表示線性規(guī)劃的目標函數(shù)，f =片...成]『表示用戶速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，I表示 內(nèi)層優(yōu)化的用戶速率，庇表示內(nèi)層優(yōu)化的基站天線數(shù)，q表示能效的參數(shù)。當kmin-q"ax|〉e， 繼續(xù)進行內(nèi)層迭代求孩和&;當kmin-qmaxi < e，迭代算法終止，得到整個問題的優(yōu)化解。其 中，qmin表示算法的捜索下界，q"ax表示算法的捜索上界，e表示捜索闊值。
[0084] 確定優(yōu)化的基站天線數(shù)勺方法如下：
[0085] 將優(yōu)化的基站天線數(shù)M進行取整，和優(yōu)化的用戶速率4帶入能效優(yōu)化模型，得到 能效一巧(f，I辦」)和能效二.「泡1):
[0086]
[0087]
[008引如果
表 示基站天線數(shù)為L嚴」且用戶速率為p=R，."，,i'r時的能效，咕村庇1)表示基站天線數(shù)為 ―孩]且用戶速率為f = R，...，,if時的能效，&表示優(yōu)化的用戶速率，M*表示優(yōu)化的基站天線數(shù)， 姑]表示孩向上取整，表示M巧下取整乂表示用戶數(shù)，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)，
表示導頻開銷部分，T表示大尺度信息保持不變的時間段，故表示用戶信道的大尺度參 數(shù)：
，Pbs是基站天線的電路功耗，
L是每焦耳可W承擔的操作量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架 構(gòu)功耗。
[0089] 得到優(yōu)化發(fā)送功率片U的方法：
[0090]
;
[0091] 其中，巧；^表示第k個用戶的優(yōu)化發(fā)送功率，O2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)，
表示導頻開銷部分，K表示用戶數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間段，故表示用 戶信道的大尺度參數(shù)，&表示優(yōu)化的用戶速率，1^表示優(yōu)化的基站天線數(shù)。
[0092] 具體的，基站采用MMSE接收機，并運行如下的聯(lián)合優(yōu)化算法，得到優(yōu)化的基站天線 數(shù)和用戶發(fā)射功率。算法具體描述如下：
[0093] 算法輸入：
[0094] 1)用戶信道的大尺度參數(shù)戍，Vfc ;
[0095] 2)用戶數(shù) K;
[0096] 3)算法的對分捜索范圍
[0097] Qmin = O,
[009引
[0099] 其中，qmin表示外層循環(huán)的捜索下界，qmax表示外層循環(huán)的捜索上界，K表示用戶數(shù)， 曰2是噪聲方差，n功率放大器系數(shù)
衰示導頻開銷部分，T表示大尺度信息保持不變 的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)，
，Pbs是基站天線的電路 功耗，L是每焦耳可W承擔的操作量。
[0100] 功耗模型參數(shù)
.是每焦耳可W承擔的操作 量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗；
[0101] 4)捜索闊值e為算法的終止口限；
[0104]
[0102] 算法輸出：優(yōu)化的基站天線數(shù)m3p發(fā)射功率癡;;[0103] 迭代算法：
[0105]
[0106]
[0107]
[010 引
[0109]
[0110] ，
[0111] 回到步驟1 ;當I qmin-qmax I < e，迭代算法終止，進行步驟4。
[0112] 4)計算：
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]
[0117]
[011引 6)返回M*和成,,,VA ;
[0119] 如圖1所示，本發(fā)明所提聯(lián)合優(yōu)化算法的能效優(yōu)于僅考慮發(fā)射功率或基站天線數(shù) 的優(yōu)化算法。隨著用戶數(shù)的增加，能效越來越高。
[0120] 如圖2所示，本發(fā)明所提算法比僅考慮天線數(shù)的優(yōu)化算法使用更少的天線。因為僅 考慮天線數(shù)的優(yōu)化中，功率分配帶來的天線數(shù)減少沒有被考慮進去。同時，本發(fā)明所提算法 的性能，能達到僅考慮發(fā)射功率優(yōu)化算法的性能?？傮w來說，當用戶數(shù)增加時，需要更多的 天線數(shù)，同時用戶的平均功率降低，能效增加。
[0121] 如圖3所示，算法經(jīng)過少量迭代后都會收斂。同時，也可W看出不同的仿真參數(shù)設(shè) 置對收斂速度的影響很小。
[0122] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種上行大規(guī)模MMO聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方法，其特征在于:基 站在獲取統(tǒng)計信道狀態(tài)信息之后，得到經(jīng)過MMSE接收機處理過的用戶速率，繼而得到以用 戶速率表示的用戶發(fā)射功率;據(jù)此建立關(guān)于聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶速率的能效優(yōu)化目 標;將能效優(yōu)化目標轉(zhuǎn)化成線性規(guī)劃問題;對線性規(guī)劃問題通過有限次迭代得到優(yōu)化的基 站天線數(shù)和用戶速率，在每次迭代中，所得到的優(yōu)化解均為閉合表達式;最后，基站根據(jù)用 戶速率與用戶發(fā)射功率的關(guān)系，得到優(yōu)化的用戶上行發(fā)射功率，進而完成基站天線數(shù)和用 戶發(fā)送功率的聯(lián)合優(yōu)化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上行大規(guī)模ΜΙΜΟ聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法，其特征在于:所述能效優(yōu)化目標：其中，療表示系統(tǒng)能效，5表示第k個用戶的可達速率，Ρ表示系統(tǒng)消耗的功率:Pk/n表示第k 個用戶的實際發(fā)射功率，n e (0，1 ]是功率放大器系數(shù)，K表示用戶數(shù)，Ptc=MPbs+KPu+psyn表示 收發(fā)機鏈路功率，Μ表示基站天線數(shù)，PbdPPu分別表示每個基站天線和用戶的電路功率， Psyn是基站振蕩器消耗的功率，表示信道估計功率，L是每焦耳能量可以執(zhí)行的操作次數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間段， 表示MMSE檢測的功率，Par表示系統(tǒng)架構(gòu)功耗。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的上行大規(guī)模ΜΙΜΟ聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法，其特征在于:將能效優(yōu)化目標轉(zhuǎn)化成線性規(guī)劃問題的方法： 步驟101，在大規(guī)模ΜΜ0上行鏈路中，使用MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速 率為：rk = c〇log2(l+M0kPk〇-2)， 其中，rk表示MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速率 ·表示用于信道估 計的導頻開銷的部分，T表示大尺度信息保持不變的時間段，K表示用戶數(shù)，Μ表示基站天線 數(shù)，Pk表示第k個用戶的有效發(fā)射功率，&表示第k個用戶的大尺度衰落，〇2表示噪聲方差，得 到第k個用戶的實際發(fā)射功率為：其中，Ptp, k表示第k個用戶的實際發(fā)射功率，Pk表示第k個用戶的有效發(fā)射功率，η是功率 放大器系數(shù)，rk表示第k個用戶的近似速率：·表示用于信道估計的導頻開銷的部 分，T表示大尺度信息保持不變的時間段，K表示用戶數(shù)，Μ表示基站天線數(shù)，&表示第k個用 戶的大尺度衰落，σ2表示噪聲方差；因此，系統(tǒng)的總功率表示為：其中，Ρ表不系統(tǒng)的總功率，.，Pbs是基站天線的電路功耗，L是每 焦耳能量可以執(zhí)行的操作次數(shù)，T表示大尺度信息保持不變的時間段，K表示用戶數(shù)，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系 9 統(tǒng)的架構(gòu)功耗，η是功率放大器系數(shù)，rk表示第k個用戶的近似速率·表示用于信道 估計的導頻開銷的部分，Μ表示基站天線數(shù)，&表示第k個用戶的大尺度衰落，〇2表示噪聲方 差； 步驟102,將步驟101得到的系統(tǒng)的總功率P代入到能效優(yōu)化目標中將能效優(yōu)化目標轉(zhuǎn) 化為關(guān)于Μ和^的分式規(guī)劃問題，表示為：其中，U(r，M)表示由近似速率和天線數(shù)構(gòu)成的能效優(yōu)化函數(shù)，r=[n，. . .，^，表示用戶 速率，rk表示MMSE接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，7表示矩陣轉(zhuǎn)置，K表示用戶數(shù)，Μ是 基站天線數(shù)，σ2是噪聲方差，η是功率放大器系數(shù)表示導頻開銷部分，Τ表示大尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)站天線的電路功耗，L是每焦耳可以承擔的操作量 是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗； 步驟103,引入關(guān)于能效的參數(shù)q，將分式規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題：其中，f(r，M，q)表示線性規(guī)劃的目標函數(shù)，r=[ri,. . . ,1?]1?示用戶速率，rk表示MMSE接 收機處理之后的第k個用戶的近似速率，7表示矩陣轉(zhuǎn)置，K表示用戶數(shù)，Μ是基站天線數(shù)，q表示 能效的參數(shù)，σ2是噪聲方差，η功率放大器系數(shù)·表示導頻開銷部分，Τ表示大尺度信 息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)，Pbs是基站天 線的電路功耗，L是每焦耳可以承擔的操作量戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的上行大規(guī)模ΜΙΜΟ聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法，其特征在于:對線性規(guī)劃問題通過有限次迭代得到優(yōu)化的基站天線數(shù)和用戶速率的方 法： 步驟201，將線性規(guī)劃問題分成兩層解決，在外層循環(huán)運用對分法，找到滿足f(r，M，q) =〇的參數(shù)q，按下式確定能效參數(shù)q:其中，q表示能效的參數(shù)，qmin表示外層循環(huán)的搜索下界，qmax表示外層循環(huán)的搜索上界， 具體初始值為： Qmin = 0 ?其中，q_表示外層循環(huán)的搜索下界，qmax表示外層循環(huán)的搜索上界，K表示用戶數(shù)，〇 2是噪聲 方差，η功率放大器系數(shù)，表示導頻開銷部分，τ表示大尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)，L是每焦耳可以承擔的操作量， 是基站天線的電路功耗； 步驟202，當外層中的參數(shù)q給定后，需要解決的內(nèi)層優(yōu)化問題為：其中，g(r，M)表示內(nèi)層優(yōu)化問題的目標函數(shù)，r=[ri,. . .，γκ]τ表示用戶速率，γκ表示MMSE 接收機處理之后的第k個用戶的近似速率，7表示矩陣轉(zhuǎn)置，Κ表示用戶數(shù)，Μ是基站天線數(shù)，q 表示能效的參數(shù)，σ2是噪聲方差，η功率放大器系數(shù)表示導頻開銷部分，Τ表示大尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)， 是基站天線的電路功耗_L是每焦耳可以承擔的操作 量，Pu是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗；其中，Μ表示內(nèi)層優(yōu)化的基站天線數(shù),?表示內(nèi)層優(yōu)化的用戶速率，K表示用戶數(shù)，q表示 能效的參數(shù)，〇2是噪聲方差，II功率放大器系數(shù)表示導頻開銷部分，Τ表示大尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的大尺度參數(shù)站天線的電路功耗，L是每焦耳可以承擔的操作量 是用戶的電路功耗，Psyn是基站振蕩器功耗，Par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的上行大規(guī)模ΜΙΜΟ聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法，其特征在于:判斷迭代算法終止的方法： 如果/^,狄，qmax = q，否則qmin = q，其中，/&,氣f )表示線性規(guī)劃的@標函數(shù)， 表示用戶速率，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，?表示內(nèi)層優(yōu)化的用戶速率，Μ表示內(nèi)層優(yōu) 化的基站天線數(shù)，q表示能效的參數(shù)；當| qmin-qmax I >ε，繼續(xù)進行內(nèi)層迭代求Μ和^ ;當I qmin-qmax| < ε，迭代算法終止，得到整個問題的優(yōu)化解;其中，示算法的搜索下界，qmax表示 算法的搜索上界，ε表示搜索閾值。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的上行大規(guī)模ΜΙΜΟ聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法，其特征在于:得到內(nèi)層優(yōu)化的基站天線數(shù)獻和優(yōu)化的用戶速率&后，將內(nèi)層優(yōu)化的基站 天線數(shù)Μ進行取整，和優(yōu)化的用戶速率4帶入分式規(guī)劃問題的優(yōu)化模型中，得到能效一 c/j ?>?」)和能效二 (f:如果，$ (f，:L#」)> % (f，「#~|)，則m'4*」，否則μ*=「遍1;其中，叫f，L4)表示基 站天線數(shù)為L汾j且用戶速率為f=[^，...，&r時的能效，％表示基站天線數(shù)為 且用戶速率為,，&f時的能效，&表示優(yōu)化的用戶速率，表示優(yōu)化的基站天線數(shù)， 表示Μ向上取整，表示#向下取整，K表示用戶數(shù)， 〇2是噪聲方差，τι功率放大器系 數(shù)，表示導頻開銷部分，Τ表示大尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的 大尺度參數(shù)，L是每焦耳可以承擔的操作量，Pu是用戶的電路功 ， 耗，psyn是基站振蕩器功耗，par是系統(tǒng)的架構(gòu)功耗。7. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的上行大規(guī)模ΜΙΜΟ聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法，其特征在于:得到優(yōu)化發(fā)送功率的方法：其中，表示第k個用戶的優(yōu)化發(fā)送功率，σ2是噪聲方差，η功率放大器系數(shù)表示導頻開銷部分，Κ表示用戶數(shù)，Τ表示大尺度信息保持不變的時間段，&表示用戶信道的 大尺度參數(shù)，ξ表示優(yōu)化的用戶速率，表示優(yōu)化的基站天線數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上行大規(guī)模ΜΙΜΟ聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)和用戶發(fā)射功率的方 法，其特征在于:針對的場景是采用最小均方誤差MMSE接收機的上行大規(guī)模Μ頂0系統(tǒng)。
【文檔編號】H04B7/08GK105827294SQ201610269616
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】黃永明, 范立行, 李雙龍, 楊綠溪
【申請人】東南大學