非完善CSIT下MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化方法研究.pdf

1、能量效率(Energy Efficiency，EE)已經(jīng)成為第五代移動通信系統(tǒng)(5G)的關(guān)鍵性能指標(biāo)(Key Performance Indicator，KPI)之一。提高無線通信系統(tǒng)的能量效率能夠有效降低移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(Mobile Network Operator，MNO)的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用（Capital Expenditure，CAPEX）和運(yùn)營費(fèi)用(Operation Expenditure，OPEX)，同時(shí)也能夠大幅度降低信息通

2、信技術(shù)(Information CommunicationTechnology，ICT)的溫室氣體排放量，實(shí)現(xiàn)低碳社會的目標(biāo)。另一方面，多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術(shù)已經(jīng)成為包括5G在內(nèi)的很多無線通信標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)，極大的提高了頻譜效率(Spectral Efficiency，SE)?？紤]到實(shí)際的MIMO系統(tǒng)的發(fā)送端信道狀態(tài)信息(Channel State Informatio

3、nat Transmitter，CSIT)往往并不完善，因此很有必要針對非完善CSIT下的MIMO系統(tǒng)進(jìn)行能量效率優(yōu)化方法的研究。
　　本文關(guān)注非完善CSIT下的下行MIMO系統(tǒng)能量效率優(yōu)化方法的研究。由于預(yù)編碼技術(shù)是MIMO系統(tǒng)獲得分集和復(fù)用增益的基礎(chǔ)，因此本文首先在受限的CSIT不確定度模型下針對多用戶MIMO(Multiuser MIMO，MU-MIMO)系統(tǒng)研究了能量效率優(yōu)化的預(yù)編碼設(shè)計(jì)問題。另外，考慮到訓(xùn)練序列開銷與能量

4、效率之間存在折中關(guān)系，為此本文分別針對基于訓(xùn)練的多用戶MIMO系統(tǒng)和多小區(qū)MIMO系統(tǒng)研究了能量效率優(yōu)化方法。
　　首先，預(yù)編碼技術(shù)是提高多用戶MIMO系統(tǒng)性能的重要手段。因此，本文在受限的CSIT不確定度模型下研究了能量效率優(yōu)化的預(yù)編碼設(shè)計(jì)問題。該問題是一個(gè)非凸的分?jǐn)?shù)規(guī)劃。為了求解該問題，本文首先運(yùn)用用戶可達(dá)速率與最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）的對應(yīng)關(guān)系以及min-max不等式把原問

5、題轉(zhuǎn)化為它的具有分?jǐn)?shù)和max-min形式的下界問題。接著利用分?jǐn)?shù)規(guī)劃定理把分?jǐn)?shù)形式的問題轉(zhuǎn)化為帶參數(shù)的、減數(shù)形式的優(yōu)化問題，并利用拉格朗日對偶性將該max-min問題轉(zhuǎn)化為max-max的形式，進(jìn)一步提出了能夠保證收斂性的迭代求解算法。仿真結(jié)果表明，本文所提出的算法相比于已有的算法能夠顯著提高多用戶MIMO系統(tǒng)的能量效率。
　　其次，基站獲得CSIT需要付出一定的訓(xùn)練序列開銷，訓(xùn)練序列功率過小會導(dǎo)致CSIT準(zhǔn)確度很低，造成能量效率

6、的下降;訓(xùn)練序列功率過大則會導(dǎo)致速率增益不能補(bǔ)償訓(xùn)練序列的能耗，同樣也會降低能量效率，因此，在訓(xùn)練序列功率和能量效率之間存在折中關(guān)系，需要仔細(xì)研究。本文針對基于訓(xùn)練的多用戶MIMO系統(tǒng)研究了能量效率優(yōu)化方法，形成了能效優(yōu)化的功率分配問題。針對CSIT不可見的事實(shí)提出一種兩步優(yōu)化方法，分別優(yōu)化各態(tài)歷經(jīng)能量效率和瞬時(shí)能量效率。在各態(tài)歷經(jīng)能量效率的優(yōu)化中，本文首先推導(dǎo)獲得了各態(tài)歷經(jīng)可達(dá)速率的更緊致下界，然后把原問題轉(zhuǎn)化為關(guān)于各態(tài)歷經(jīng)能量效率下

7、界的優(yōu)化問題，并證明了它關(guān)于訓(xùn)練功率和數(shù)據(jù)功率是聯(lián)合擬凹的，進(jìn)一步提出了一種交替優(yōu)化求解算法。在瞬時(shí)能量效率的優(yōu)化中，發(fā)送端采用基于各態(tài)歷經(jīng)能量效率優(yōu)化得到的訓(xùn)練序列功率發(fā)送訓(xùn)練序列，接收端進(jìn)行信道估計(jì)得到有誤差的信道狀態(tài)信息，并據(jù)此預(yù)測瞬時(shí)能量效率，進(jìn)一步提出了一種用于優(yōu)化數(shù)據(jù)信號發(fā)送功率的瞬時(shí)能量效率優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，本文所提出的兩步能量效率優(yōu)化算法相比于只優(yōu)化各態(tài)歷經(jīng)能量效率的算法和頻效優(yōu)化的算法均能提高多用戶MIMO系統(tǒng)的

8、能量效率。
　　另外，單小區(qū)傳輸(Single Cell Processing，SCP)和多小區(qū)協(xié)作波束成型（Coordinated Beamforming，CBF）是多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中兩種典型的傳輸模式，考慮到用戶可能處于不同的位置，采用不同傳輸模式會帶來不同的能量效率。因此，本文形成了基于訓(xùn)練的多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中考慮最小速率限制的能量效率優(yōu)化問題。該優(yōu)化問題可以表示成關(guān)于數(shù)據(jù)信號功率、訓(xùn)練信號功率、傳輸模式的多變量混合分?jǐn)?shù)

9、規(guī)劃。本文提出了各態(tài)歷經(jīng)能量效率的近似表達(dá)式，然后基于該近似表達(dá)式提出了優(yōu)化發(fā)送功率的兩步算法。第一步，忽略最小速率限制，提出一種交替優(yōu)化算法來求解無約束的能量效率優(yōu)化問題;第二步，判斷第一步的解是否滿足最小速率限制條件，如果滿足則算法結(jié)束，否則將考慮最小速率約束的問題轉(zhuǎn)化為最小化功耗的問題并提出一種線性規(guī)劃算法進(jìn)行求解。這兩個(gè)算法都能夠保證收斂性。在優(yōu)化發(fā)送功率之后，本文提出采用遍歷搜索的方法得到能效優(yōu)化的傳輸模式。仿真結(jié)果表明，所提

10、出的能量效率優(yōu)化算法相比于一直以最大功率進(jìn)行發(fā)送的頻效優(yōu)化的基準(zhǔn)算法在最小速率限制較低時(shí)能夠獲得能量效率的較大增益。而最小速率限制條件也會影響到最優(yōu)傳輸模式的選擇，限制條件越苛刻，系統(tǒng)越傾向于采用協(xié)作波束成型傳輸模式。原因在于:基站需要提高發(fā)送功率以滿足較高的最小速率限制條件，增大了小區(qū)間干擾(Inter-CellInterference，ICI)，使得系統(tǒng)能量效率受限于小區(qū)間干擾，因此，基站就越傾向于采用協(xié)作波束成型傳輸模式消除小區(qū)間