多小区MIMO系统中基于能效最大的天线数和用户数联合优化方案.PDF

中国科学: 信息科学 论 文 多小区MIMO 系统中基于能效最大的天线数 和用户数联合优化方案 * 范建存 宁悦 邓建国 徐志昆 西安交通大学电信学院, 西安 710049 中国移动有限公司研究院, 北京 100053 * 通信作者. E-mail: fanjc0114@ 收稿日期: 2015–05–27; 接受日期: 2015–06–17 中国移动研究院研究基金(批准号: 2013346)、国家自然科学基金 (批准号:、教育部博士点基金 (批准号: 20130201120- 021) 、陕西省自然科学基础研究计划 (批准号: 2014JQ8303, 2014JM2-6124)、国家博士后科学基金 (批准号: 2014M560780, 201- 5T81031) 和陕西省博士后科学基金资助项目 摘要 针对多小区多用户多入多出(multi-user multiple-input multiple-output, MU-MIMO) 系统的下行 链路场景, 首先在考虑电路功耗和发射功耗的实际功耗模型下, 推导出系统能效与基站天线数及用 户数的关系式. 然后为最大化系统能效, 建立了联合优化基站天线数与用户数的能效优化模型, 并给 出一种交替迭代有哪些信誉好的足球投注网站算法来简化该优化问题的求解, 同时证明了其最优解的存在. 最后仿真结果表 明, 基于天线数与用户数的优化配置关系提出的天线配置方案可以明显提升系统能效. 关键词 多小区 多用户MIMO 能效 天线配置 迭代优化 1 引言 近年来, 为了充分的开拓空域资源, 在基站端配置大规模阵列的多入多出技术 (multiple-input and multiple-output, MIMO) 已经被提出. 现有研究已经表明[1∼4] : 当基站端配置的天线数趋于无穷时, 每 个用户对应的接收信道矢量将趋于正交, 那么就可利用波束形成技术来降低小区间干扰, 并显著地提 高了系统的频谱利用率和能量效率. 由于这些显著的优势, 大规模MIMO 技术已经受到业界和学术界 的广泛关注, 并被看作是未来移动通信系统的关键技术之一. 考虑到实际的天线都需要相应的射频发 射链路支持, 那么部署大量的天线虽然可以相应地减少系统的发射功耗, 但也会相应地增加射频链路 的电路功耗, 从而导致不必要的能量开销, 使得系统能效降低. 因此, 如果从系统能效的角度来讲, 是 否一定是部署越多天线系统能效越高则需要进一步研究. 对此, 文献 [5] 对单小区和多小区MIMO 这两种系统中的系统能效随着基站天线的变化趋势进行 了分析研究, 其仿真结果表明系统能效随着天线数的增加呈现一个准凹的变化趋势. 文献 [6] 则在大 规模天线的假设下, 对单小区多用户 MIMO (multi-user MIMO, MU-MIMO) 系统的能效关于基站天 线数、用户数及发射功率进行了联合优化, 并表明不同的激活用户应该有不同的发射天线数. 文献 [7] 则考虑大规模MIMO 系统的下行链路场景, 提出一种高能效的天线选择算法以最大化系统能效, 其仿 引用格式 范建存, 宁悦, 邓建国, 等. 多小区 MIMO 系统中基于能效最大的天线数和用户数联合优化方案. 中国科学: 信息科学, doi: 10.1360/N112015-00117 范建存等: 多小区MIMO 系统中基于能效最大的天线数和用户数联合优化方案 图 多小区多用户网络模型 Multi-cell multi-user network model 真结果表明, 在天线规模很大的假定条件下, 采用随机的天线选择方法就能显著提升系统能效, 并且 其性能与最优的天线选择方法的性能已经非常接近. 然而, 上述工作主要针对单小区场景对信道容量和系统能效进行分析研究, 并且假定基站天线趋 于无穷, 也就是说假定各用户的信道矢量是相互正交的, 但在实际中往往都是配备有限天线的多小区 系统. 因此, 我们将在多小区下行MU-MIMO 系统中, 在天线数有限的假设条件下