[发明专利]频分复用多用户MIMO能效优化方法

说明书

技术领域

本发明属于在频分复用和多天线通信情形下的能效联合优化领域，涉及一种在频分复用情形下对多用户MIMO能效效用函数的优化方法。

背景技术

MIMO是Multiple Input Multiple Output(多输入多输出)的缩写形式，Multiple指的是多传输天线和多发送天线，也就是说，MIMO系统是一个多天线系统。MIMO系统相比传统的传输系统有巨大的优势，主要体现在以下两个方面：第一，空间复用增益，也就是更高的数据率；第二，空间分集增益，也就是对抗多径衰落，提高系统可靠性。多用户MIMO系统相比传统的点对点MIMO系统具有更大的优势。它利用了MIMO处理技术的高信道容量和系统吞吐量，以及空分多址技术的优点，可以服务某一区域内的众多用户，目前已被IEEE802.16m and3GPP LTE标准采用，成为MIMO技术最有前景的发展方向之一。我们考虑一个拥有K个用户的多用户MIMO系统，用户小组内有且仅有一个基站，它负责向组内的各个用户传送数据。基站对每一个用户的发送天线数为N，拥有的总天线数为KN，组内的成员各自拥有的接收天线数为M。这个组内多用户的MIMO系统可以用下面的线性系统模型来表示，对于用户i，有：

y_i＝H_ix_i+n_i  i＝1,2,…K

其中，为基站对用户i的信道矩阵，为基站对用户i的发送信号向量，为用户i从基站接收到的信号向量，为基站与用户i通信过程中的噪声向量，它可以是高斯白噪声，也可以是其他的有色噪声，但我们依然保留噪声零均值的特性，所以有n_i～CN(0,R_i)，在这里，我们考虑各用户使用不同的频带，因此不存在多用户干扰的现象，于是所有的R_i都是常量。为基站对用户i的发送信号的相关矩阵，也是基站对用户i的预编码矩阵。这是我们优化的重点。

能效，英文是energy efficiency，简称EE。随着信息理论和技术的迅猛发展，能耗的增长成为一个越来越不可忽略的问题。能效的定义是使用单位能量能够发送的数据量，能量的单位是Joule，数据量的单位是bit或者nat，且1(nat)＝log₂e(bit)≈1.443(bit)。这里为了求导方便，我们采用nat为单位。根据香农的信息容量定理，在1Hz带宽下，基站对用户i发送的数据率r_i可表示为：ri=logdet(Ri+HiQiHiH)-logdet(Ri)nat/(Hz·s).]]>与之相对应的有效发送功率P_i的表达式为：P_i＝tr(Q_i)。但是，有效发送功率并不是总发射功率。首先，功率放大器的效率不可能为100％，因此为了达到标称值可能需要比标称值多一些的功率，这里我们认为功率放大器的效率恒定，设为η，为了达到标称值，往往需要乘一个修正因子其次，在发射数据的时候，天线中存在功率耗散，这些耗散存在于滤波器，混频器，锁相环以及数模转换器等设备中，假设在一个天线中它们的总和为P_c，那么耗散总和为NP_c；此外基站为了满足一个用户需要数据的需求，会消耗一定的基态功率，记为P₀，P₀的大小与P_c没有关系。天线的耗散功率与基态功率之和称为静态功率。基于上面的考虑，用户i的能效EE_i可以定义为：