[发明专利]能效谱效联合优化的大规模MIMO多播功率分配方法

说明书

本发明公开了一种能效谱效联合优化的大规模MIMO多播功率分配方法，基站配置大规模天线阵列，通过波束赋形生成覆盖整个小区的大规模波束集合，从而与用户进行多播通信，即在相同的时频资源上同时向用户发送多播信号。通过上行链路的信道探测过程，基站获取各用户的统计信道状态信息，并利用权重因子来实施系统资源最优(即最大化能效和谱效的加权和)的多播传输功率分配。本发明实现复杂度低，能够有效对大规模MIMO多播传输的能效和谱效进行权衡以获得最大资源效率。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种利用大规模天线阵列和统计信道状态信息的能效谱效联合优化的大规模MIMO播传输功率分配方法。

背景技术

大规模MIMO系统中，基站端布置大规模天线阵列以同时服务多个用户。采用大规模MIMO技术可以有效降低用户间干扰，大幅提高无线通信系统的能效和谱效。大规模MIMO下行链路传输过程中，基站侧通过酉变换将发送信号转换到波束域，在波束域信道进行信号传输，充分利用大规模天线阵列的空间角度分辨率和用户信道在波束域中的集中特性。

多播通信场景下，基站在相同的时频资源上，向同一多播组内所有用户端发送公共的多播信号。传统上，谱效被认为是比能效更重要的设计对象，但为了使无线网络达到所要求的高传输速率，功耗可能会急剧增加。但是，仅以能效为优化目标的能效最优策略有时可能与谱效最优策略冲突。为了权衡通信系统的频谱效率和能源消耗，提出以能效谱效加权和为优化目标函数的问题，从而得到基站侧多播的波束域功率分配矩阵。

传统的能效谱效联合优化问题常基于瞬时信道状态信息，而在大规模MIMO系统中，瞬时信道状态信息的获取有难度，并且当基站侧天线数较大时，求解系统多播速率过程中求期望过程的复杂度很高。对于最大化能效谱效加权和的问题，由于目标函数是分式且分子是非凸函数，求解通常较为困难。为此，本发明提出了一种低复杂度的利用统计信道状态信息的能效谱效联合优化的大规模MIMO多播功率分配方法。

发明内容

发明目的：针对大规模MIMO系统下行通信场景，本发明提供一种利用大规模天线阵列和统计信道状态信息的能效最优的能效谱效联合优化的大规模MIMO多播功率分配方法，能够有效提高系统的能效和谱效，实现能效和谱效的平衡，并降低实现复杂度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种能效谱效联合优化的大规模MIMO多播功率分配方法，基站配置大规模天线阵列，通过波束赋形生成覆盖整个小区的大规模波束集合，从而与用户进行多播通信，即在相同的时频资源上同时向用户发送多播信号。通过上行链路的信道探测过程，基站获取各用户的统计信道状态信息，并利用权重因子来实施系统资源最优(即最大化能效和谱效的加权和)的多播传输功率分配。具体包括以下步骤：

步骤1、小区基站配置大规模天线阵列，通过波束赋形生成能够覆盖整个小区的大规模波束集合，与用户进行多播通信，并在相同的时频资源上向用户发送多播信号。

步骤2、通过上行链路的信道探测过程，基站获取各用户的统计信道状态信息，并根据统计信道状态信息实施能效谱效联合优化准则下的波束域信号功率分配，其中，能效谱效联合优化的功率分配优化问题的目标函数定义为能效和谱效的加权和，谱效为系统可达遍历和速率，能效为系统可达遍历和速率与总功率消耗的比值。功率分配优化的目标为在满足系统功率约束的情况下最大化能效和谱效的加权和。

能效谱效联合优化的功率分配优化问题为：

s.t.tr{Λ}≤P_max,

Λ≥0,Λdiagonal

其中，