[发明专利]一种上行大规模MIMO联合优化基站天线数和用户发射功率的方法

摘要

本发明公开了一种上行大规模MIMO联合优化基站天线数和用户发射功率的方法。针对的场景是采用最小均方误差(MMSE)接收机的上行大规模MIMO系统。基站在获取统计信道状态信息之后，得到经过MMSE接收机处理过的用户的上行速率，继而得到以用户速率表示的用户发射功率。据此建立能效优化目标。通过有限次迭代得到优化的基站天线数和用户速率。每次迭代中，所得到的优化解均为闭合表达式。最后，基站根据用户速率与功率的关系，得到优化的用户上行发射功率，进而完成基站天线数和用户的发送功率的联合优化。本发明的算法执行过程中仅利用统计信道状态信息，避免了涉及大维瞬时信道矩阵的操作。降低了计算复杂度。

主权项

1.一种上行大规模MIMO联合优化基站天线数和用户发射功率的方法，其特征在于：基站在获取统计信道状态信息之后，得到经过MMSE接收机处理过的用户速率，继而得到以用户速率表示的用户发射功率；据此建立关于联合优化基站天线数和用户速率的能效优化目标；将能效优化目标转化成线性规划问题；对线性规划问题通过有限次迭代得到优化的基站天线数和用户速率，在每次迭代中，所得到的优化解均为闭合表达式；最后，基站根据用户速率与用户发射功率的关系，得到优化的用户上行发射功率，进而完成基站天线数和用户发送功率的联合优化；所述能效优化目标：其中，表示系统能效，表示第k个用户的可达速率，P表示系统消耗的功率：P_k/η表示第k个用户的实际发射功率，η∈(0,1]是功率放大器系数，K表示用户数，P_tc＝MP_bs+KP_u+P_syn表示收发机链路功率，M表示基站天线数，P_bs和P_u分别表示每个基站天线和用户的电路功率，P_syn是基站振荡器消耗的功率，表示信道估计功率，L是每焦耳能量可以执行的操作次数，T表示大尺度信息保持不变的时间段，表示MMSE检测的功率，P_ar表示系统架构功耗；将能效优化目标转化成线性规划问题的方法：步骤101，在大规模MIMO上行链路中，使用MMSE接收机处理之后的第k个用户的近似速率为：r_k＝c₀log₂(1+Mβ_kP_kσ^‑2)，其中，r_k表示MMSE接收机处理之后的第k个用户的近似速率，表示用于信道估计的导频开销的部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，K表示用户数，M表示基站天线数，P_k表示第k个用户的有效发射功率，β_k表示第k个用户的大尺度衰落，σ²表示噪声方差，得到第k个用户的实际发射功率为：其中，P_tp,k表示第k个用户的实际发射功率，P_k表示第k个用户的有效发射功率，η是功率放大器系数，r_k表示第k个用户的近似速率，表示用于信道估计的导频开销的部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，K表示用户数，M表示基站天线数，β_k表示第k个用户的大尺度衰落，σ²表示噪声方差；因此，系统的总功率表示为：其中，P表示系统的总功率，P_bs是基站天线的电路功耗，L是每焦耳能量可以执行的操作次数，T表示大尺度信息保持不变的时间段，K表示用户数，P_u是用户的电路功耗，P_syn是基站振荡器功耗，P_ar是系统的架构功耗，η是功率放大器系数，r_k表示第k个用户的近似速率，表示用于信道估计的导频开销的部分，M表示基站天线数，β_k表示第k个用户的大尺度衰落，σ²表示噪声方差；步骤102，将步骤101得到的系统的总功率P代入到能效优化目标中将能效优化目标转化为关于M和r_k的分式规划问题，表示为：其中，U(r,M)表示由近似速率和天线数构成的能效优化函数，r＝[r₁,...,r_K]^T表示用户速率，r_k表示MMSE接收机处理之后的第k个用户的近似速率，T表示矩阵转置，K表示用户数，M是基站天线数，σ²是噪声方差，η是功率放大器系数，表示导频开销部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，β_k表示用户信道的大尺度参数，P_bs是基站天线的电路功耗，L是每焦耳可以承担的操作量，P_u是用户的电路功耗，P_syn是基站振荡器功耗，P_ar是系统的架构功耗；步骤103，引入关于能效的参数q，将分式规划问题转化为线性规划问题：其中，f(r,M,q)表示线性规划的目标函数，r＝[r₁,...,r_K]^T表示用户速率，r_k表示MMSE接收机处理之后的第k个用户的近似速率，T表示矩阵转置，K表示用户数，M是基站天线数，q表示能效的参数，σ²是噪声方差，η功率放大器系数，表示导频开销部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，β_k表示用户信道的大尺度参数，P_bs是基站天线的电路功耗，L是每焦耳可以承担的操作量，P_u是用户的电路功耗，P_syn是基站振荡器功耗，P_ar是系统的架构功耗；对线性规划问题通过有限次迭代得到优化的基站天线数和用户速率的方法：步骤201，将线性规划问题分成两层解决，在外层循环运用对分法，找到满足f(r,M,q)＝0的参数q，按下式确定能效参数q：其中，q表示能效的参数，q_min表示外层循环的搜索下界，q_max表示外层循环的搜索上界，具体初始值为：q_min＝0，其中，q_min表示外层循环的搜索下界，q_max表示外层循环的搜索上界，K表示用户数，σ²是噪声方差，η功率放大器系数，表示导频开销部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，β_k表示用户信道的大尺度参数，L是每焦耳可以承担的操作量，P_bs是基站天线的电路功耗；步骤202，当外层中的参数q给定后，需要解决的内层优化问题为：其中，g(r,M)表示内层优化问题的目标函数，r＝[r₁,...,r_K]^T表示用户速率，r_K表示MMSE接收机处理之后的第k个用户的近似速率，T表示矩阵转置，K表示用户数，M是基站天线数，q表示能效的参数，σ²是噪声方差，η功率放大器系数，表示导频开销部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，β_k表示用户信道的大尺度参数，P_bs是基站天线的电路功耗，L是每焦耳可以承担的操作量，P_u是用户的电路功耗，P_syn是基站振荡器功耗，P_ar是系统的架构功耗；当满足条件时，内层优化问题的闭式解为：其中，表示内层优化的基站天线数，表示内层优化的用户速率，K表示用户数，q表示能效的参数，σ²是噪声方差，η功率放大器系数，表示导频开销部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，β_k表示用户信道的大尺度参数，P_bs是基站天线的电路功耗，L是每焦耳可以承担的操作量，P_u是用户的电路功耗，P_syn是基站振荡器功耗，P_ar是系统的架构功耗；判断迭代算法终止的方法：如果q_max＝q，否则q_min＝q，其中，表示线性规划的目标函数，表示用户速率，T表示矩阵转置，表示内层优化的用户速率，表示内层优化的基站天线数，q表示能效的参数；当|q_min‑q_max|＞ε，继续进行内层迭代求和当|q_min‑q_max|≤ε，迭代算法终止，得到整个问题的优化解；其中，q_min表示算法的搜索下界，q_max表示算法的搜索上界，ε表示搜索阈值；得到内层优化的基站天线数和优化的用户速率后，将内层优化的基站天线数进行取整，和优化的用户速率带入分式规划问题的优化模型中，得到能效一和能效二如果，则否则其中，表示基站天线数为且用户速率为时的能效，表示基站天线数为且用户速率为时的能效，表示优化的用户速率，M^*表示优化的基站天线数，表示向上取整，表示向下取整，K表示用户数，σ²是噪声方差，η功率放大器系数，表示导频开销部分，T表示大尺度信息保持不变的时间段，β_k表示用户信道的大尺度参数，P_bs是基站天线的电路功耗，L是每焦耳可以承担的操作量，P_u是用户的电路功耗，P_syn是基站振荡器功耗，P_ar是系统的架构功耗；得到优化发送功率的方法：其中，表示第k个用户的优化发送功率，σ²是噪声方差，η功率放大器系数，表示导频开销部分，K表示用户数，T表示大尺度信息保持不变的时间段，β_k表示用户信道的大尺度参数，表示优化的用户速率，M^*表示优化的基站天线数。