一種基于BER約束的MIMO系統(tǒng)能量效率優(yōu)化方法

姚巧鴿

(黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院, 駐馬店 463000)

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，目前在全球范圍內(nèi)已廣泛進(jìn)入第四代移動(dòng)通信(4G)發(fā)展階段，第五代移動(dòng)通信(5G)系統(tǒng)的商用也已經(jīng)列入多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的日程表。未來(lái)5G商用后，接入網(wǎng)絡(luò)的各種通信終端(智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)通信終端、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信終端等[1])數(shù)量和各種大流量移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都將會(huì)大幅度增長(zhǎng)，加之未來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)吞吐量、上下行傳輸速率、業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間等性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高，整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能耗也將急劇增加[2]。因此，在全球綠色可持續(xù)發(fā)展的大背景下，節(jié)能減排成為未來(lái)移動(dòng)通信的迫切需求，以提高能量效率為目標(biāo)的綠色通信的概念目前被廣泛提及和研究，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中以頻譜效率最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，也逐漸向在保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)的同時(shí)以能量效率最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)化[3]。提升移動(dòng)通信系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的能量效率，降低能耗，可以降低信息通信技術(shù)(ICT)行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益，也契合當(dāng)前綠色通信的發(fā)展理念。因MIMO通信系統(tǒng)具有頻譜利用率高，可以利用多天線來(lái)抑制信道衰落等優(yōu)點(diǎn)[4]，本文以目前已在4G 中廣泛使用，未來(lái)也將在5G中廣泛應(yīng)用的MIMO通信系統(tǒng)為研究對(duì)象，在現(xiàn)有典型能量效率優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)MIMO通信系統(tǒng)中OFDM子載波分配的分析，提出一種基于BER(Bit Error Rate，誤比特率)條件約束的MIMO系統(tǒng)能量效率優(yōu)化方法，在保證系統(tǒng)通信質(zhì)量的同時(shí)，盡量降低系統(tǒng)能耗。

1 MIMO系統(tǒng)能量效率效率模型的定義

設(shè)有一單小區(qū)多用戶場(chǎng)景，其基站覆蓋半徑為R，有N個(gè)用戶均勻分布在小區(qū)內(nèi)，采用MIMO通信方式。在系統(tǒng)的OFDM子載波分配中，把M個(gè)子載波分配給M個(gè)子信道。信號(hào)在子信道中的傳輸中過(guò)程獨(dú)立，傳輸中的衰落、損耗等和其他用戶無(wú)關(guān)，且各個(gè)子載波相互正交，則子信道m(xù)所對(duì)應(yīng)的接收端的信號(hào)功率為式(1)。

(1)

式中Pm為子信道m(xù)的發(fā)射功率，Rm為接收端和基站的距離，α為信號(hào)傳輸過(guò)程中的大尺度和小尺度衰落系數(shù)[5]，β為路徑損耗因子[6]。設(shè)子信道的帶寬為B，信道中的噪聲為加性高斯白噪聲，其功率譜密度為n0，噪聲功率為n0B，則子信道的信噪比應(yīng)為式(2)。

(2)

根據(jù)香農(nóng)公式，子信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率(也即其信道容量)為式(3)。

(3)

根據(jù)目前主流的移動(dòng)通信系統(tǒng)能量效率的定義，能效(Energy Efficient，簡(jiǎn)稱EE)指標(biāo)為系統(tǒng)的信息速率和系統(tǒng)發(fā)射功率的比值[7]，因此MIMO系統(tǒng)的能量效率為式(4)。

(4)

式中，Pt為MIMO系統(tǒng)總的發(fā)射功率。系統(tǒng)能量效率最優(yōu)的問(wèn)題也就轉(zhuǎn)化為求EE值最大的問(wèn)題。但在實(shí)際場(chǎng)景中，在對(duì)能效指標(biāo)EE進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，還應(yīng)考慮到對(duì)通信質(zhì)量的保障，因此，本文以通信質(zhì)量中重要的誤比特率(BER)指標(biāo)為約束條件，對(duì)系統(tǒng)的能量效率進(jìn)行優(yōu)化。不失一般性，設(shè)通信過(guò)程中采用常見(jiàn)的2DPSK調(diào)制方式(采用差分相干解調(diào))，則子信道信息傳輸時(shí)的誤比特率應(yīng)為式(5)。

(5)

式中，Pber為子信道通信過(guò)程中的誤比特率，r為接收端處的信噪比，則系統(tǒng)的平均誤比特率應(yīng)為式(6)。

(6)

2 基于BER約束的MIMO系統(tǒng)能量效率優(yōu)化

2.1 約束條件的設(shè)定

設(shè)系統(tǒng)中的M個(gè)子信道構(gòu)成一個(gè)集合{C}，此子信道集中的信道分為兩個(gè)子集，一個(gè)子集中的子信道發(fā)射功率為小功率，集合設(shè)為{C1}，其中包含的子信道數(shù)為M1，每個(gè)子信道的發(fā)射功率為P1；另一個(gè)子集的子信道發(fā)射功率為大功率，集合設(shè)為{C2}，其中包含的子信道數(shù)為M2，每個(gè)子信道的發(fā)射功率為P2；M1+M2=M。則{C1}中的總功率PC1=P1·M1，{C2}中的總功率PC2=P2·M2，系統(tǒng)的總功率為式(7)。

Ptotal=PC1+PC2=P1M2

(7)

2.2 基于約束條件的能效優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

根據(jù)前述可見(jiàn)，在相關(guān)約束條件下對(duì)子信道的合理分配是實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化的關(guān)鍵。先對(duì)子信道按信道質(zhì)量和傳輸條件進(jìn)行降序排序，按傳輸條件的順序?qū)γ總€(gè)子信道進(jìn)行分配，把子信道優(yōu)先向{C1}信道集進(jìn)行分配，以節(jié)省系統(tǒng)發(fā)射功率，提高系統(tǒng)能量效率EE，并對(duì)此時(shí)系統(tǒng)傳輸?shù)男旁氡群驼`比特率進(jìn)行計(jì)算，如果滿足誤比特率指標(biāo)的要求Pb*，則將該子信道加入到{C1}信道集中，否則分配到{C2}信道集中，并對(duì)每次分配后的子信道發(fā)射功率進(jìn)行累加，如果所有子信道的功率分配結(jié)束后系統(tǒng)總發(fā)射功率不超過(guò)Ptotal，則按此方案進(jìn)行分配，如果分配過(guò)程中系統(tǒng)總發(fā)射功率已達(dá)到Ptotal，則停止對(duì)剩余傳輸質(zhì)量較差的子信道的分配，以節(jié)省功率資源，以犧牲系統(tǒng)部分吞吐量為代價(jià)來(lái)保障系統(tǒng)能效指標(biāo)，直至下一個(gè)分配周期再根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行重新分配。

子信道的具體分配過(guò)程如下：

Step1：根據(jù)每個(gè)子信道中的CQI(Channel quality indication，信道質(zhì)量指示)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的子信道集合{C}中的各個(gè)子信道CHi按信道質(zhì)量和傳輸條件進(jìn)行降序排序；

Step5：第一個(gè)子信道分配完成后，重復(fù)Step2到Step4對(duì)第二個(gè)子信道進(jìn)行分配，然后把其發(fā)射功率和之前分配的子信道的發(fā)射功率進(jìn)行累加，累加的結(jié)果和系統(tǒng)功率上限Ps進(jìn)行比較，若不超過(guò)Ps，則按同樣流程繼續(xù)分配下一個(gè)子信道；

Step5：若分配過(guò)程中系統(tǒng)總發(fā)射功率達(dá)到Ptotal，則停止對(duì)剩余傳輸質(zhì)量較差的子信道的分配，以節(jié)省功率資源，以犧牲系統(tǒng)部分吞吐量為代價(jià)來(lái)保障系統(tǒng)能效指標(biāo)；

Step6：若分配過(guò)程中系統(tǒng)總發(fā)射功率一直未超過(guò)Ptotal，則按上述方法分配至最后一個(gè)子信道。

3 算法性能仿真與評(píng)估

為對(duì)本文中所提出MIMO系統(tǒng)能量效率優(yōu)化方法的性能進(jìn)行分析和評(píng)估，對(duì)未進(jìn)行能量效率優(yōu)化的子信道功率分配方法(方法1)，進(jìn)行了能量效率優(yōu)化但未進(jìn)行BER約束的子信道功率分配方法(方法2)以及本文所提出既考慮BER約束又考慮到系統(tǒng)能量效率優(yōu)化的方法(方法3)等3種方法進(jìn)行性能仿真，基本參數(shù)如表1所示。

對(duì)上述3種功率分配方法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1-圖3所示。圖1橫軸為系統(tǒng)子信道數(shù)量，縱軸為系統(tǒng)能量效率EE，從圖1中可以看出，采用本文提出的基于BER約束的系統(tǒng)能效優(yōu)化方法(方法3)的系統(tǒng)能效性能明顯優(yōu)于未進(jìn)行能效優(yōu)化的方法1，系統(tǒng)子信道數(shù)量較少時(shí)，其能效性能和方法2相當(dāng)，當(dāng)系統(tǒng)子信道數(shù)量較多時(shí)，其能效性能略差于方法2，但由于其誤比特率進(jìn)行了上限設(shè)定，系統(tǒng)通信質(zhì)量得到了改善和保障；此外，對(duì)于這3種方法而言，當(dāng)子信道數(shù)量增加時(shí)，其能效性能指標(biāo)都得到了明顯的提升，如圖2所示。

表1 仿真基本參數(shù)表

圖1 不同子信道數(shù)量下3種子信道功率分配方法的能效對(duì)比

圖2 不同系統(tǒng)發(fā)射功率下三種子信道功率分配方法的能效對(duì)比

圖2橫軸為系統(tǒng)發(fā)射功率，縱軸為系統(tǒng)能量效率EE，圖2則表明，在不同的系統(tǒng)發(fā)射功率條件下，本文提出的基于BER約束的系統(tǒng)能效優(yōu)化方法(方法3)的能效性能也明顯優(yōu)于方法1，而和方法2 的能效性能相當(dāng)。如圖3所示。

圖3橫軸為路徑損耗因子，縱軸為系統(tǒng)誤比特率(單位為dB)，從圖3可看出，本文提出的基于BER約束的系統(tǒng)能效優(yōu)化方法(方法3)的誤比特率性能指標(biāo)明顯優(yōu)于未進(jìn)行BER約束的方法2。通過(guò)上述對(duì)比可見(jiàn)，本文提出的同時(shí)考慮到BER約束和系統(tǒng)能效優(yōu)化的功率分配方法在保證系統(tǒng)誤比特率指標(biāo)的情況下，其能效指標(biāo)明顯優(yōu)于未進(jìn)行能效優(yōu)化的系統(tǒng)功率分配方法，而誤碼率指標(biāo)則明顯優(yōu)于未考慮BER約束的系統(tǒng)能量效率優(yōu)化方法，在系統(tǒng)的通信質(zhì)量和能量效率兩方面達(dá)到一個(gè)較好的折中。

圖3 不同路徑損耗系數(shù)下三種子信道功率分配方法的誤比特率對(duì)比

4 總結(jié)

本文對(duì)MIMO系統(tǒng)中的能量效率優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，在算法設(shè)計(jì)中綜合考慮到用戶的能量效率指標(biāo)(EE)和誤比特率指標(biāo)(BER)，針對(duì)以往算法設(shè)計(jì)中未考慮能量效率優(yōu)化或未考慮誤比特率約束的情況，提出基于BER條件約束的系統(tǒng)能量效率優(yōu)化算法，并以MIMO系統(tǒng)中典型參數(shù)進(jìn)行仿真分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下，該算法在保證系統(tǒng)誤比特率指標(biāo)的前提下，能有效提高系統(tǒng)的能量效率。