一種基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種在多天線MIMO系統(tǒng)中基于統(tǒng)計特性的傳輸與能效優(yōu)化方法，包括：接收端采用基于訓練序列的MMSE估計獲得信道估計值，并基于碼本進行有限反饋，從而使得發(fā)射端獲得信道狀態(tài)信息并進行波束賦形的數(shù)據(jù)傳輸；針對這一傳輸過程進行能效優(yōu)化，根據(jù)其信道統(tǒng)計特性對MMSE估計值和估計誤差，及碼本反饋量化值和反饋誤差進行統(tǒng)計分析，進而通過信道容量形成針對能效度量的統(tǒng)計分析和能效優(yōu)化模型，給出能效最大化的訓練功率及數(shù)據(jù)功率分配。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以有效的提高系統(tǒng)能效性，而在快速時變信道環(huán)境下，可以以極低復雜度獲得趨近于已有動態(tài)功率分配方法的性能。
【專利說明】
一種基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信中功率分配相關領域，尤其涉及一種基于統(tǒng)計特性的多天線 能效優(yōu)化方法，進一步涉及一種結(jié)合多天線ΜΜ0系統(tǒng)及信道統(tǒng)計特性的傳輸與能效優(yōu)化方 法。 技術(shù)背景
[0002] 隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展以及智能終端的大規(guī)模普及，移動業(yè)務的市場需求也在 進一步提高。為了實現(xiàn)更好的能效優(yōu)化性從而提供更高服務質(zhì)量，無線通信技術(shù)不斷進行 革新和改進。其中，近來提出了Μ頂0技術(shù)。
[0003] ΜΠΚ)技術(shù)可以在不增加天線發(fā)射功率和頻譜資源的情況下，成倍的提高系統(tǒng)信道 容量及系統(tǒng)性能。然而，隨著天線數(shù)量的增加，功率損耗成為ΜΜ0技術(shù)應用的挑戰(zhàn)。已有研 究表明，功率損耗成為制約多天線ΜΜ0系統(tǒng)的重要原因。在單用戶ΜΗ?系統(tǒng)中，為了進行頻 效優(yōu)化，采用增大帶寬、提高發(fā)射功率、增多發(fā)射天線數(shù)目的方式，導致包括線路功率、信號 處理功率等的功率損耗現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種在多天線ΜΜ0系統(tǒng)環(huán)境下的基于統(tǒng)計特性 的多天線能效優(yōu)化方法，來降低功率損耗對于系統(tǒng)能效的影響，根據(jù)所獲得的信道估計、估 計誤差、信道反饋和反饋誤差等統(tǒng)計特性，通過研究其統(tǒng)計規(guī)律，結(jié)合能效度量公式，計算 其能效最大化的訓練功率及數(shù)據(jù)功率分配方法同時提高系統(tǒng)能效性。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] -種基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1、建立通信鏈路系統(tǒng)模型
[0008] 所述通信鏈路系統(tǒng)中數(shù)據(jù)X的接收信號y為：
其中，PDS數(shù)據(jù)功 率分配，h為信道響應矢量，且服從〃 7 (0,^//)分布，η為高斯白噪聲信號，且服從 ft-ζ (〇,〇·,「/)分布，瓦為信道量化值；
[0009] 步驟2、MMSE信道估計與分析
[0010]基于接收信號y對信道響應矢量h進行MMSE估計，得到信道估計矢量纟，且 Λ.; Λ + e.，其中，《~ '(〇,在"）為估計誤差；
[0011] 步驟3、信道反饋
[0012] 通過基于Llyod碼本的有限反饋方式對所述信道估計矢量纟量化，得到信道量化值 fe，且A =石+ ^，其中，eFe為量化誤差；
[0013 ] 步驟4、基于估計和反饋的能效優(yōu)化，包括以下步驟：
[0014]步驟4.1、計算信道容量
[0015]
，其中，Nt為通信鏈路系統(tǒng)中發(fā)射天線的根數(shù)， R為信道容量的下界；
[0016] 步驟4.2、能效優(yōu)化
[0017]根據(jù)發(fā)射端設計功率控制器的目標為最大化遍歷能效的下界值，結(jié)合所述信道容 量，能量效率度量為：
[0018]
[0019] 其中，E為能量效率，J為訓練序列持續(xù)時間，PTl:為每個發(fā)射天線上的訓練功率，PD 為數(shù)據(jù)傳輸功率，Pe為電路功耗，a為恒定功率放大器的效率，T為每個時隙的符號數(shù)，eFe為 量化誤差e Fe3的方差下界；
[0020] 根據(jù)獲得的eFe和瓦統(tǒng)計特性，得出使能量效率E最大化的最優(yōu)PT^SP D。
[0021] 作為優(yōu)選，所述ΜΜ0通信鏈路系統(tǒng)具有Nt根發(fā)射天線和單根接收天線，設訓練序 列S為JXNt階矩陣，5 = [.^，％,]且3化=妒1:1八為在第1^個發(fā)射天線上發(fā)送的訓練序列， 其中，nt=l，···，Nt。
[0022] 作為優(yōu)選，基于接收信號y對信道響應矢量h的MMSE估計g表示為：
[0023]

協(xié)方差
V Ul J[0025] 作為優(yōu)選，采用碼本F對接收端的信道估計矢量￡量化過程如下： 一為：
[0024]
[0026]
,其中，F(xiàn)={fV"，fB}，且召= 2bxWt，fieF，且i = l，2,3，B，b 為每時隙有限反饋比特數(shù)，Nt為Μ頂0通信鏈路系統(tǒng)中發(fā)射天線的根數(shù)；
[0027] 即，選取第f列所對應的碼本矢量（作為量化后的信道矢量/7，接收端對_/；.進行有 限反饋。
[0028] 作為優(yōu)選，所述量化誤差^6的方差下界為：
[0029]
，
[0030]所述量化誤差eFe與反饋獲得的信道量化矢量?相互獨立，則有：
[0031]
[0032] 作為優(yōu)選，基于預存碼本內(nèi)的每一個碼字為NtXl維的矢量，隨機抽取B個矢量作 為設計碼本的初始碼本，利用Lloyd算法進行離線的迭代搜索，形成覆蓋整個信道估計值空 間的碼本F。
[0033] 作為優(yōu)選，所述MBTO通信鏈路系統(tǒng)為點對點MBTO通信鏈路系統(tǒng)。
[0034] 本發(fā)明通過綜合信道估計、信道反饋、波束賦形的多天線鏈路傳輸過程，對系統(tǒng)功 率進行能效的整體優(yōu)化。通過分析信道的MMSE估計及分析Llyod碼本的信道反饋，獲得信道 估計、估計誤差、信道反饋和反饋誤差等的統(tǒng)計特性，給出能效度量公式和能效最大化的訓 練功率及數(shù)據(jù)功率分配方法。
[0035]在單用戶ΜΜ0通信系統(tǒng)中，建立系統(tǒng)信道模型和傳輸模型。接收端采用基于訓練 序列的MMSE估計獲得信道估計值，并基于碼本進行有限反饋，從而使得發(fā)射端獲得信道狀 態(tài)信息并進行波束賦形的數(shù)據(jù)傳輸。針對這一傳輸過程進行能效優(yōu)化，根據(jù)其信道統(tǒng)計特 性對MMSE估計值和估計誤差，及碼本反饋量化值和反饋誤差進行統(tǒng)計分析，進而通過信道 容量形成針對能效度量的統(tǒng)計分析和能效優(yōu)化模型，給出能效最大化的訓練功率及數(shù)據(jù)功 率分配方法。仿真結(jié)果表明，與已有靜態(tài)功率分配方法相比，提出方法可以有效的提高系統(tǒng) 能效性，而在快速時變信道環(huán)境下，提出方法以極低復雜度獲得趨近于已有動態(tài)功率分配 方法的性能。
[0036]進一步，通過對反饋內(nèi)容進行基于碼本的量化，以解決由于ΜΙΜΟ有限反饋系統(tǒng)中 反饋鏈路的反饋速率受到限制，而碼本質(zhì)量的好壞將對基于碼本的有限反饋系統(tǒng)性能的優(yōu) 劣造成直接影響。
【附圖說明】
[0037]圖1為基于統(tǒng)計特性的多天線系統(tǒng)能效優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖2為電路電源功率變化的能效變化趨勢(Nt = 2，T=100，CB = 32，a = 0.98);
[0039] 圖3為電路電源功率變化的能效變化趨勢(Nt = 4，T=100，CB = 32，a = 0.98);
[0040] 圖4為碼本數(shù)變化的能效變化趨勢(Nt = 4，T = 80，a = 〇. 98);
[0041 ]圖5為時間相關參數(shù)變化的能效變化趨勢(Nt = 4，T = 100，CB = 4，Pe = 100);
[0042] 圖6為電路電源功率變化的能效變化趨勢(Nt = 4，T=100，CB = 4，a = 0.79)。
【具體實施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法包括以下步驟：
[0045] 步驟1、建立系統(tǒng)模型
[0046]本發(fā)明針對點對點Μ頂0通信鏈路系統(tǒng)，其具有Nt根發(fā)射天線(Nt多2)和單根接收天 線，設訓練序列S是J X Nt階矩陣，S = [A，· · ·，]且SHS = JPTiI，其中\(zhòng) e CW，表示在第nt(nt =1，…，Nt)個發(fā)射天線上發(fā)送的訓練序列，J代表訓練序列持續(xù)時間，滿足J多Nt，P Tl:為每個 天線上的訓練功率。
[0047]在訓練序列階段，接收端所收到的J X 1維彳目號矢量yTlr為:yTlr = Sh+n;其中，h是Nt X 1的信道響應矢量，其元素是獨立服從ζ (〇,σ///)分布的高斯變量;η是JX 1維的高斯白 噪聲矢量，服從？r (〇, 分布。
[0048] 在數(shù)據(jù)傳輸階段，在理想情況下，采用hH/| | |hH| |作為波束賦型傳輸數(shù)據(jù)，可使接 收端的信噪比（SNR)最大化。然而，實際系統(tǒng)中，h是未知的，接收端僅能通過5^進行信道的 MMSE估計獲得|<因此，假設信道在每個時隙內(nèi)是恒定的，使用b個反饋比特的Lloyd碼本對 石進行量化和有限反饋。發(fā)射端從信道反饋獲得的信道信息被描述為^，其標準化的共輒轉(zhuǎn) 置PVllP II被用作波束形成向量。
[0049] 因此，數(shù)據(jù)X的接收信號y由下式給出：
[0050]
[0051] 其中，數(shù)據(jù)功率分配，設數(shù)據(jù)X功率歸一化Ε{ΧχΗ} = 1，η為高斯白噪聲信號。 [0052]步驟2、MMSE信道估計與分析
[0053] 接收端基于接收信號J e C^xl對信道響應矢量h的麗SE估計|可以表示為：
[0054]
[0055] 由上式可知統(tǒng)計特性滿足< ~ + V)。信道響應與信道估計 滿足辦=A + <?，其中e ~ （〇,在1:1)是與》統(tǒng)計獨立的估計誤差，其協(xié)方差矩陣可以由前式 計算得：
[0056] V Jr
J
[0057] 步驟3:信道反饋
[0058] 步驟3.1碼本設計
[0059]本發(fā)明采用基于Llyod碼本的有限反饋方式?；陬A存碼本內(nèi)的每一個碼字為Nt XI維的矢量，隨機抽取B個矢量作為設計碼本的初始碼本，利用Lloyd算法進行離線的迭代 搜索，形成覆蓋整個信道估計值空間的碼本F={fi，…，f B}。若每時隙有限反饋比特數(shù)為b， 則滿足：Β = 26χΛ；?。
[0060] 采用碼本F對接收端的信道估計^量化過程如下：
[0061]
[0062]
[0063]即選取第f列所對應的碼本矢量，作為量化后的信道矢量石，接收端對力進行有 限反饋。
[0064] 發(fā)送端根據(jù)存儲的碼本F反饋的（恢復石進行波束賦型傳輸，即
[0065]
[0066]步驟3.2信道反饋分析
[0067] 根據(jù)上述有限反饋過程可知，信道估值i和信道量化值.瓦間滿足+ 根據(jù) 速率失真理論，對于滿足A z (〇,〇復高斯變量進行b比特的量化，當實部與虛部相互獨立 時，等同于對.〃（0,^)的變量進行|的量化。因此，量化eFe3的方差下界為： 2 2
[0068]
[0069] 由于量化誤差eFe與反饋獲得的信道量化矢量瓦相互獨立，因此有：
[0070]
[0071 ]步驟4:基于估計和反饋的能效優(yōu)化 [0072] 步驟4.1信道容量
[0073] 考慮信道估計損失和反饋波束的遍歷容量下界的可以表示為：
[0074]
[0075] 其中誤差的影響被認為是一種干擾。
[0076] 為了進一步化簡，根據(jù)Backward Triangle不等式與嚴格的Cauchy-Bunyakovskii-Schwarz 不等式，有：
[0078][0079] 此外，根據(jù)變量獨立性可獲得的期望值有：[0080]
[0077]
[0081]綜上信道容量R可得：
[0082]
[0083]其中，R(| |eFe| |2)在ll/'HI范圍內(nèi)是關于| |eFe| |2的凸函數(shù)時，根據(jù)Jensen不等 式：，有：
[0084] E{R| |eFe| |2}^R(E{ | | eFe | |2}^R(eFe}
[0085] 當I |eFe| I很小時，這個不等式是嚴格的。
[0086]步驟4.2能效優(yōu)化
[0087]發(fā)射端設計功率控制器的目標是最大化遍歷能效的下界值。結(jié)合上一步的信道容 量贅其度量為：
[0088] i -J
/ ~J
[0089] 其中J代表訓練序列持續(xù)時間，（T-J)是數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時間，PTl:是每個發(fā)射天線上 的訓練功率，P D是數(shù)據(jù)傳輸功率，Pe是電路功耗，a是恒定功率放大器(ΡΑ)的效率，Τ是每個時 隙的符號數(shù)。
[0090] 綜上能量效率E可得：
[0091]
[0092] 因此，只需根據(jù)前述公式獲得的eFe和瓦統(tǒng)計特性，通過簡單代數(shù)運算即可 [0093]得出使能量效率E最大化的最優(yōu)PT^SPD。
[0094] 下面給出了仿真參數(shù)的設置與仿真結(jié)果和分析：
[0095] 我們利用MATLAB進行仿真，建立系統(tǒng)模型。根據(jù)能量效率優(yōu)化（14)求解出在當前 信道條件下統(tǒng)計最優(yōu)的?&及?°，將其帶入系統(tǒng)，采用MMSE估計、基于Llyod碼本有限反饋的 傳輸方法，并統(tǒng)計其平均能效。其中PA效率a = 2,噪聲協(xié)方差采用的碼本根據(jù)以往經(jīng) 驗，基于閾值ζ = 1 〇-5進行設計。
[0096] 由能效的度量公式可以看出，系統(tǒng)能效受天線總數(shù)Nt、符號數(shù)Τ、碼本數(shù)CB、時間相 關參數(shù)α以及電路電源P e變化的影響。為說明提出算法的性能，將其分別與傳統(tǒng)靜態(tài)功率分 配方法，已有靜態(tài)優(yōu)化功率分配方法、已有動態(tài)功率分配方法進行比較。其中，傳統(tǒng)靜態(tài)功 率分配方法為隨機選取兩對功率，即傳統(tǒng)靜態(tài)功率1取為P Tl:=l(K)mW，PD = 50mW，傳統(tǒng)靜態(tài)功 率2取為PTl: = 300mW，PD=100mW。因此，我們充分考慮不同參數(shù)的影響，評估驗證能效性能， 對不同條件下不同方法的能量效益進行分析比較。
[0097] 仿真圖2是在天線總數(shù)Nt = 2、符號數(shù)T= 100、碼本數(shù)CB = 32、時間相關參數(shù)α = 0.98時，電路電源#所對應能效平均值的變化趨勢。所提出方法的基于統(tǒng)計特性的功率分 配方法的能效相較于其他靜態(tài)優(yōu)化功率分配方法和傳統(tǒng)靜態(tài)功率分配方法更高，系統(tǒng)性能 更為優(yōu)越。性能優(yōu)于已有靜態(tài)優(yōu)化方法，主要是提出方法考慮了反饋誤差給出了更準確的 功率分配方法。
[0098] 仿真圖3是在天線總數(shù)Nt = 4、符號數(shù)Τ= 100、碼本數(shù)CB = 32、時間相關參數(shù)α = 0.98時，電路電源#所對應能效平均值的變化趨勢。所提出方法的基于統(tǒng)計特性的功率分 配方法的能效相較于其他靜態(tài)優(yōu)化功率分配方法和傳統(tǒng)靜態(tài)功率分配方法更高，系統(tǒng)性能 更為優(yōu)越。且隨著天線總數(shù)的增加，提出方法的基于統(tǒng)計特性的功率分配方法的能效越高， 更加體現(xiàn)優(yōu)越性。
[00"] 仿真圖4是在天線總數(shù)Nt = 4、符號數(shù)T = 80、時間相關參數(shù)α = 0.98、電路電源功率 Pc = 20mW、PG = 100mW&PG = 220mW時，不同碼本數(shù)CB所對應能效的變化趨勢。所提出方法的 基于統(tǒng)計特性的功率分配方法的能效相較于已有靜態(tài)優(yōu)化功率分配方法更高，隨著碼本大 小增加，反饋損失逐漸減小，能效值趨于穩(wěn)定。
[0100] 仿真圖5是在天線總數(shù)Nt = 4、符號數(shù)T = 100、碼本數(shù)CB = 4，電路電源?° = 1 OOmW時， 時間相關參數(shù)α所對應能效平均值的變化趨勢。從圖中可以看出，所提出的基于統(tǒng)計特性的 功率分配方法的能效相較于已有靜態(tài)優(yōu)化功率分配方法和傳統(tǒng)靜態(tài)功率分配方法更高，系 統(tǒng)性能更為優(yōu)越;而與動態(tài)優(yōu)化方法相比，在慢速時變的強相關性信道條件下，性能有損 失，而在快速時變的低相關性信道環(huán)境下，所提出的基于統(tǒng)計特性的功率分配方法能夠更 好的覆蓋獨立統(tǒng)計特性，具有較好的性能。
[0101] 仿真圖6中是在天線總數(shù)Nt = 4、符號數(shù)Τ = 100、碼本數(shù)CB = 4,時間相關參數(shù)α = 0.79時，電路電源1^所對應能效平均值的變化趨勢。所提出的基于統(tǒng)計特性的功率分配方 法的能效相較于已有靜態(tài)優(yōu)化功率分配方法、已有動態(tài)優(yōu)化功率分配方法和傳統(tǒng)靜態(tài)功率 分配方法更高，系統(tǒng)性能更為優(yōu)越。
[0102] 以上實施例僅為本發(fā)明的示例性實施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍 由權(quán)利要求書限定。本領域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實質(zhì)和保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出各 種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、建立通信鏈路系統(tǒng)模型 所述通信鏈路系統(tǒng)中數(shù)據(jù)X的接收信號y為其中，Pd為數(shù)據(jù)功率分 配，h為信道響應矢量，且服從乙./ (0,?2/)分布，η為高斯白噪聲信號，且服從，!：0,Oh2/) 分布，瓦為信道量化值； 步驟2、MMSE信道估計與分析 基于接收信號y對信道響應矢量h進行MMSE估計，得到信道估計矢量S，且/? = ，其 中，卜？ /(0，#)為估計誤差； 步驟3、信道反饋 通過基于Llyod碼本的有限反饋方式對所述信道估計矢量《量化，得到信道量化值I， 且石.=Zr + eie，其中，eFe為M化誤差； 步驟4、基于估計和反饋的能效優(yōu)化，包括以下步驟： 步驟4.1、計算信道容量 /^>1：.;^，其中，Nt為通信鏈路系統(tǒng)中發(fā)射天線的根數(shù)，R為信 道容量的下界； 步驟4.2、能效優(yōu)化 根據(jù)發(fā)射端設計功率控制器的目標為最大化遍歷能效的下界值，結(jié)合所述信道容量， 能量效率度量為：其中，E為能量效率，J為訓練序列持續(xù)時間，ph為每個發(fā)射天線上的訓練功率，Pd為數(shù) 據(jù)傳輸功率，Pe為電路功耗，a為恒定功率放大器的效率，T為每個時隙的符號數(shù)，為量化 誤差eFe3的方差下界； 根據(jù)獲得的A和P充計特性，得出使能量效率E最大化的最優(yōu)PTiPD。2. 如權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法，其特征在于，所述ΜΙΜΟ通 信鏈路系統(tǒng)具有Nt根發(fā)射天線和單根接收天線，設訓練序列S為J XNt階矩陣，S = [&···，& ] 且ShS=JPttI ,?為在第nt個發(fā)射天線上發(fā)送的訓練序列，其中，nt= 1，…，Nt。3. 如權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法，其特征在于，基于接收信 號y對信道響應矢量h的MMSE估計A表示且4. 如權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法，其特征在于，采用碼本F 對接收端的信道估計矢量量化過程如下：B，b為每時隙有限反饋比特數(shù)，Nt為MMO通信鏈路系統(tǒng)中發(fā)射天線的根數(shù)； SP，選取第P列所對應的碼本矢量心作為量化后的信道矢量^，接收端對進行有限反 饋。5. 如權(quán)利要求4所述的基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法，其特征在于，所述量化誤 差0&的方差下界Je3為：所述量化誤差eFe與反饋獲得的信道量化矢量瓦相互獨立，則有：6. 如權(quán)利要求4所述的基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法，基于預存碼本內(nèi)的每一 個碼字為Nt X 1維的矢量，隨機抽取B個矢量作為設計碼本的初始碼本，利用Lloyd算法進行 離線的迭代搜索，形成覆蓋整個信道估計值空間的碼本F。7. 如權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)計特性的多天線能效優(yōu)化方法，其特征在于，所述MIMO通 信鏈路系統(tǒng)為點對點M頂0通信鏈路系統(tǒng)。
【文檔編號】H04W52/36GK105897316SQ201610451609
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】張延華, 畢瑞琪, 楊睿哲, 鄭晨, 楊兆鑫, 司鵬搏
【申請人】北京工業(yè)大學