大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中能效優(yōu)化設(shè)計(jì)

張瑞清 李暉 宋選安 王天賜

摘 ?要： 能量效率是判斷大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是否符合綠色通信的重要指標(biāo)之一。文中建立一種電路功耗模型，分析了多用戶MIMO通信系統(tǒng)的能量效率問題。首先，建立多用戶MIMO通信系統(tǒng)的下行鏈路傳輸模型和以發(fā)射功耗和電路功耗為主的功耗模型;其次，根據(jù)提出的系統(tǒng)模型得出系統(tǒng)能效的關(guān)系式;最后，提出一種改進(jìn)的注水功率分配算法，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量效率的最大化。仿真結(jié)果表明，在多用戶MIMO通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)總功耗會(huì)隨著基站天線數(shù)目和小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目的增加而增加，而系統(tǒng)的能量效率并不會(huì)隨著吞吐量無限增加，而是先遞增達(dá)到最大值后下降。

關(guān)鍵詞： 能效優(yōu)化; 多輸入多輸出; 傳輸模型; 功耗; 能效分析; 功率分配

中圖分類號(hào)： TN912?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）07?0001?05

Energy efficiency optimization design in massive MIMO system

ZHANG Ruiqing1， 2， LI Hui1， 2， SONG Xuanan1， 2， WANG Tianci3

（1. School of Information Science and Technology， Hainan University， Haikou 570228， China;

2. Engineering Research Center of Marine Communication and Networks in Hainan Province， Haikou 570228， China;

3. Hainan Nuclear Power Co.， Ltd.， Changjiang 572733， China）

Abstract： Energy efficiency is one of the important indicators to judge whether the massive multiple input multiple output （MIMO） technology conforms to green communication. In this paper， a circuit power consumption model is established to analyze the energy efficiency of multi?user MIMO communication system. Firstly， the downlink transmission model and the power consumption model based on transmission power and circuit power consumption are established. Secondly， the relational expression of system energy efficiency is obtained by means of the system model proposed in this paper. An improved water?filling power allocation algorithm is proposed to maximize the energy efficiency of the system. The simulation results show that the total power consumption of the multi?user MIMO communication system increases with the increase of antennas in the base station and the users in the cell， and the energy efficiency of the system does not increase infinitely with increase of throughput， but increases first to the maximum and then decreases.

Keywords： energy efficiency optimization; MIMO; transmission model; power consumption; energy efficiency analysis; power allocation

0 ?引 ?言

隨著無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)量和種類呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)的趨勢(shì)，由此，信息與通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球第五大耗能產(chǎn)業(yè)。作為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，MIMO（Multiple Input Multiple Output）系統(tǒng)利用其超大規(guī)模天線陣列的優(yōu)勢(shì)，不僅擴(kuò)大了系統(tǒng)的空間自由度，也提升了系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。為了平衡日益增長(zhǎng)的移動(dòng)通信需求和降低通信系統(tǒng)能耗之間的關(guān)系，以達(dá)到綠色通信可持續(xù)發(fā)展的目的，研究以能量效率為導(dǎo)向的資源分配問題就顯得十分重要[2]。

對(duì)于多用戶的資源分配問題，傳統(tǒng)的無線資源分配方案主要著眼于提升系統(tǒng)容量或者降低系統(tǒng)能量消耗，卻較少考慮系統(tǒng)的能效問題。近年來，針對(duì)綠色通信系統(tǒng)中的能效優(yōu)化資源分配問題開始成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]在考慮了用戶服務(wù)質(zhì)量、能量發(fā)射功率、能量采集時(shí)間等因素下，建立了上行鏈路大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，并提出均時(shí)最小QoS保證算法、吞吐量資源分配算法，提高了系統(tǒng)能效。文獻(xiàn)[4]在多用戶大規(guī)模MIMO移動(dòng)通信系統(tǒng)的上行鏈路中，提出一種基于能效優(yōu)化的資源分配算法，并聯(lián)合了基站端的發(fā)射天線數(shù)和用戶的發(fā)射功率來優(yōu)化能效函數(shù)。文獻(xiàn)[5]研究了關(guān)于多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路，主要說明了關(guān)于發(fā)射功率和天線數(shù)對(duì)系統(tǒng)能效的影響，借助Lambert W函數(shù)對(duì)系統(tǒng)天線數(shù)進(jìn)行求解，提出一種低復(fù)雜度的天線選擇算法，提高系統(tǒng)能效。文獻(xiàn)[6]在大規(guī)模MIMO下行OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）系統(tǒng)中，采用迫零預(yù)編碼方式接收信號(hào)，通過調(diào)整帶寬分配、功率分配和基站天線數(shù)目分配的方式來優(yōu)化能效函數(shù)。文獻(xiàn)[7]利用張量平行因子（PARAFAC）分解的[k]?秩條件，通過迭代擬合的方法對(duì)能效函數(shù)中的收發(fā)端天線數(shù)目、編碼長(zhǎng)度等傳輸參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。文獻(xiàn)[8]把多用戶MIMO干擾信道的能效優(yōu)化問題建模為一個(gè)非合作博弈問題，考慮了每個(gè)二級(jí)用戶功率約束和干擾閾值，通過建立分布式迭代能效優(yōu)化算法來獲得納什均衡。文獻(xiàn)[9]基于多用戶MISO（Multiple Input Single Output）系統(tǒng)，考慮了信干噪比、能量收集約束兩個(gè)條件，提出一種拉格朗日函數(shù)結(jié)合Dinkelbach方法的資源分配方案，可以有效地提高系統(tǒng)能效。但是，這些研究未能在定量分析時(shí)更加充分地考慮系統(tǒng)約束情況下系統(tǒng)資源分配對(duì)大規(guī)模MIMO能效的影響。因此，設(shè)計(jì)能更加地滿足用戶服務(wù)質(zhì)量要求的能效資源分配方案仍有待進(jìn)一步完善。

基于對(duì)以上文獻(xiàn)的整理及分析，本文針對(duì)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下行鏈路場(chǎng)景，在綜合考慮滿足基站總發(fā)射功率和用戶最低數(shù)據(jù)速率的條件下，假設(shè)發(fā)送端已知完全信道狀態(tài)信息，以最大化系統(tǒng)能效為目標(biāo)，提出一種基于改進(jìn)的注水功率分配算法方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源的靈活調(diào)度，提升系統(tǒng)能效。

1 ?系統(tǒng)模型和問題描述

1.1 ?系統(tǒng)模型

本文考慮建立一個(gè)典型的下行鏈路多用戶MIMO無線通信系統(tǒng)，如圖1所示。其中，在基站的位置配置[M]根發(fā)射天線，與單小區(qū)內(nèi)的[K]個(gè)（[M≥K]）單天線移動(dòng)用戶進(jìn)行通信，用戶均勻分散在小區(qū)內(nèi)部。

如果每個(gè)用戶[k]（[k]=1，2，…，[K]）都可以獲得完全的信道狀態(tài)信息，那么用戶在接收信號(hào)的同時(shí)也會(huì)受到來自其他用戶的干擾和系統(tǒng)噪聲，在用戶接收端采用常用的信號(hào)接收方法消除用戶間的干擾。在大規(guī)模MIMO下行鏈路中，用戶[k]接收到的信號(hào)可以表示為：

式中：[y=y1，y2，…，yKT];[H=h1，h2，…，hKT]，表示[K×M]維信道矩陣，服從獨(dú)立同分布的小尺度瑞利衰落;[F]是[M×K]維的線性預(yù)編碼矩陣;[P=diagp1，p2，…，pK]表示分配給每個(gè)用戶的功率;[x]表示[M×1]維的基站發(fā)射信號(hào)向量;[n]表示[K×1]維加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN），服從[n]～CN（0，1）。

1.2 ?問題描述

如圖1所示，用戶接收端接收到的信號(hào)包括有效信號(hào)、來自其他用戶的干擾信號(hào)和信道環(huán)境中的噪聲，用戶[k]接收到的信號(hào)可以由式（1）得出：

[yk=pkhkfkxk+pii=1，i≠kKhkfixi+n] （2）

式中：[pkhkfkxk]是用戶[k]接收到的有效信號(hào);[pii=1，i≠kKhkfixi]是來自其他用戶的干擾信號(hào);[n]是信道環(huán)境中的高斯白噪聲。由此，可以得出用戶的信噪比值[SINRk]為：

[SINRk=pkhkxk2pii=1，i≠kKhkxi2+σ2] （3）

現(xiàn)將用戶[k]的數(shù)據(jù)速率表示為[Rk]，那么，在通信系統(tǒng)中用戶的總速率[Rt]可以表示為：

[Rt=k=1KRk=Bk=1Klog2（1+SINRk）] （4）

將式（3）代入式（4）中，得：

[Rt=Bk=1Klog21+pkhkxk2pii=1，i≠kKhkxi2+σ2] （5）

式中：[B]表示系統(tǒng)的帶寬;[σ2]表示系統(tǒng)的噪聲功率[10]。系統(tǒng)中總功率的消耗主要體現(xiàn)在功率放大器消耗[PA]和其他的一些電路模塊消耗[PC]。[PA]可以表示為：

[PA=Ptη] （6）

式中：[η]為功率放大器的效率;[Pt=k=1Kpk]是基站發(fā)射功率的總和。其他的電路模塊中，消耗[PC]是不同元器件和數(shù)字信號(hào)處理所消耗的功率之和。電路功率消耗模型[11]可以表示為：

[PC=PFIX+PTC+PCE+PCID+PBH+PLP] （7）

式中：[PFIX]表示由冷卻系統(tǒng)、信號(hào)控制和基帶處理等信號(hào)處理過程所消耗的固定功率;[PTC]表示下行鏈路中傳輸過程中的功率消耗;[PCE]表示在信道估計(jì)時(shí)的功率消耗;[PCID]表示信道編碼和信道解碼的功率消耗;[PBH]表示數(shù)據(jù)傳輸回程中的功率消耗;[PLP]表示線性信號(hào)處理過程中的功率消耗。

系統(tǒng)的能量效率定義為系統(tǒng)的總平均和速率與系統(tǒng)總平均消耗功率之比，它的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

[EE=RtPt=k=1KRkPA+PC] （8）

本文主要考慮基站天線數(shù)目[M]、小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)[K]等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能量效率的影響，并以系統(tǒng)能效最大化為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解。因此，可以將問題建模為：

[arg max EE= arg maxRtPt] （9）

[s.t. ? ?C1： PA+PC≤Pmax，BS ? ? ? ? C2： Rk≥Rmin] （10）

式中：約束條件[C1]是系統(tǒng)總發(fā)射功率的最大上限值;[C2]為用戶[k]在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)速率的要求。

2 ?基于功率分配的通信系統(tǒng)能效問題研究

2.1 ?注水功率分配算法

現(xiàn)用注水（Water?Filling，WF）算法給每個(gè)用戶[k]分配相應(yīng)的功率[12]，那么第[k]個(gè)用戶分配到的功率可以表示為：

[pk=1gk-1μs.t. ? ?C1： pk≥0 ? ? ? ? C2： pk≤Pmax，BS] （11）

式中：[gk]是第[k]個(gè)用戶的有效信道增益;[μ]是注水的水位值。由此，式（3）可被重新表示為：

[SINRk=pkpkk=1Khkfk2+σ2] （12）

第[k]個(gè)用戶可達(dá)到的速率可以表示為：

[Rk=Blog2（1+SINRk）] （13）

系統(tǒng)能效的表達(dá)式可以寫為：

[EE=RsumPC+Kpk] （14）

通過基于注水算法的功率分配來計(jì)算系統(tǒng)能效的流程圖如圖2所示。

2.2 ?基于改進(jìn)的注水功率分配算法

在上述注水算法的基礎(chǔ)上[12]，利用拉格朗日乘數(shù)法對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，得到一種改進(jìn)的注水功率分配算法。在下行鏈路中，基站發(fā)送給用戶[k]的預(yù)編碼矩陣權(quán)值可表示為：

[Sk=maxn=1，2，…，Nwnk2] （15）

因此，用戶[k]的和速率可以表示為：

[maxk=1Kγklog2（1+gkpk）s.t. ? ?k=1KpkSk≤Pmax，BS] （16）

根據(jù)式（16），構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：

[k=1Kγklog21+gkpk+μk=1KpkSk-Pmax，BS] （17）

因此，可以得到每個(gè)用戶[k]被重新分配到的功率為：

[p?k=γk1+λB1+μKln2-KM-K] （18）

式中：[γk]的取值范圍是0～1，代表每個(gè)用戶[k]的優(yōu)先級(jí)。對(duì)于所有用戶[k]來說，當(dāng)優(yōu)先級(jí)相等時(shí)，[γk=1K]，這表明只有通過改變用戶的優(yōu)先級(jí)[γk]才能矯正改進(jìn)注水算法的注水程度。那么系統(tǒng)能量效率的優(yōu)化問題可以進(jìn)一步表示為：

[EEkP=maxp?kk=1KRkp?kPts.t. ? ?Rkp?k≥Rmin ? ? ? ?k=1Kp?k≤Pmax，BS] （19）

基于上面提到的改進(jìn)注水功率算法，則系統(tǒng)能效可以表示為：

[FP，λ，μ=k=1KRkp*k-EEkPPcx+k=1Kp*k+Puc+k=1KλRkp*k-Rmin-μk=1Kp*k-Pmax，BS] （20）

系統(tǒng)功率分配表示為：

[pEE=γk1+λBEEk+μKln2-KM-K] （21）

改進(jìn)的注水功率分配算法計(jì)算系統(tǒng)能效的流程圖如圖3所示。

為了驗(yàn)證上述分析，利用Matlab平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證。在仿真中，考慮是單小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路模型的場(chǎng)景。假設(shè)仿真系統(tǒng)中的信道模型是小尺度多徑瑞利衰落信道，帶寬是20 MHz。系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。

圖4主要說明了在不同的混合預(yù)編碼模式下，單小區(qū)的下行鏈路的總電路功耗情況。圖4中垂直軸的單位是dBm，選取用戶數(shù)[K]的值為10，小區(qū)內(nèi)基站天線數(shù)目[M]值的變化范圍是10～600。從圖4中可以看到，總電路功耗隨著[M]值的增加而增加。其中，S?MMSE（Single?cell Minimum Mean Squared Error，單小區(qū)最小均方誤差）預(yù)編碼方式對(duì)系統(tǒng)中電路消耗的要求最高，其次是ZF（Zero Forcing，迫零）和MR（Maximal Ratio，最大比合并傳輸）預(yù)編碼方式。當(dāng)[M>]200時(shí)，三種預(yù)編碼方式的差別變得更加明顯，S?MMSE消耗的功耗明顯增加。

在圖5中，設(shè)置小區(qū)基站的天線數(shù)目[M]=100，讓小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)目[K]從10～300變化?？傠娐饭碾S著小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)量的增加而增加，S?MMSE的預(yù)編碼方式下消耗的能量是最多的，其次是ZF，MR預(yù)編碼方式[13]，與圖4中的結(jié)論類似。但不同的是，三種方式中，ZF的斜率最大，這說明用戶數(shù)量對(duì)ZF預(yù)編碼模式下的總電路功耗影響比較大。

圖6中說明了S?MMSE預(yù)編碼方式下系統(tǒng)吞吐量與系統(tǒng)能效之間的關(guān)系。小區(qū)基站天線數(shù)目[M]是15～300逐步遞增，虛線代表[K]=10，實(shí)線代表[K]=35。當(dāng)[K]=10和35時(shí)，系統(tǒng)能效分別為8.85 Mb?J-1?cell-1和8.82 Mb?J-1?cell-1，系統(tǒng)的吞吐量分別是456.16 Mb?s-1?cell-1和833.98 Mb?s-1?cell-1。通過對(duì)比，可以看出增加天線數(shù)目可以提高系統(tǒng)的吞吐量，但不一定可以提高系統(tǒng)的能量效率。

圖7和圖8分別是ZF，MR預(yù)編碼方式下的系統(tǒng)吞吐量與系統(tǒng)能效之間的關(guān)系圖。與S?MMSE預(yù)編碼方式下關(guān)系圖的大概走向一致，因此，可以得出結(jié)論：預(yù)編碼方式的不同對(duì)吞吐量和系統(tǒng)能效之間關(guān)系的影響不大。圖6～圖8中曲線在最大系統(tǒng)能效EE（Energy Efficiency，能量效率）點(diǎn)附近相對(duì)平滑，說明當(dāng)把系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效EE提高到最大的EE點(diǎn)時(shí)，如果一味地追求高吞吐量，那么將會(huì)帶來系統(tǒng)能效的損失[14]。

4 ?結(jié) ?語

本文對(duì)多用戶MIMO通信系統(tǒng)中下行鏈路的能效問題進(jìn)行研究，在滿足用戶質(zhì)量的情況下，對(duì)能效資源進(jìn)行合理的分配。仿真說明了在多用戶MIMO通信系統(tǒng)中系統(tǒng)總功耗會(huì)隨著基站天線數(shù)目和小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目的增加而增加;系統(tǒng)的能量效率并不會(huì)隨著吞吐量無限增加，而是先遞增達(dá)到最大值后下降。

接下來的研究可以通過設(shè)置不同的（[M]，[K]）組合在相同的仿真環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出一個(gè)小區(qū)基站天線數(shù)目[M]和用戶[K]的一個(gè)比例關(guān)系，在此條件下，系統(tǒng)能量效率基本穩(wěn)定在一個(gè)值附近。這會(huì)對(duì)實(shí)際生活中小區(qū)布置基站時(shí)提供一個(gè)合理的天線比例，在一定程度上可以減少資源的浪費(fèi)。

注：本文通訊作者為李暉。

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