基于上行多用户大规模MIMO系统能效优化算法

针对上行多用户大规模多输入多输出（MIMO）系统,提出了基于能效优化的资源分配方法。所提方法采用迫零(ZF)接收,以最大化系统能效下界为准则,系统功率消耗考虑电路功率消耗和发射功率消耗2部分,通过联合调整基站端的发射天线数和用户的数据速率来优化能效函数。首先,根据目标函数的性质,证明全局最优速率分配和天线数的存在性和唯一性,然后,根据分数规划的性质,把原始的分数最优化问题转换成减式形式,进而提出一种新的迭代算法。仿真结果表明,所提算法以较少迭代次数取得了接近最优算法的性能。     

多用户大规模MIMO系统能效资源分配算法

该文针对多用户大规模多输入多输出(MIMO)移动通信上行系统,提出一种基于能效优化的资源分配算法。所提方法在采用最大比合并(MRC)接收情况下,满足用户数据速率和可容忍的干扰水平约束条件下,以最大化系统能效下界为准则建立优化模型。根据分数规划的性质,把原始的分数最优化问题转换成减式的形式,进而采用凸优化的方法,通过联合调整基站端的发射天线数和用户的发射功率来优化能效函数。仿真结果表明,所提算法与穷举算法在能效上的差距不足9%,并且有较好的系统频谱效率性能,同时算法复杂度得到了显著降低。     

多用户FDD大规模MIMO下行系统能效功率分配算法

针对多用户频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)大规模多输入多输出(Multiple-Input MultipleOutput,MIMO)下行系统,从绿色通信角度出发,研究了能效准下基站训练序列信号和有效数据信号的功率分配问题。首先,利用大维随机矩阵理论,推导得出能效目标函数的解析表达式。基于此,采用高发射信噪比条件,将原始的非凸分式问题转化为拟凹问题。进而,证明了全局最优功率解的存在性和唯一性,并发现最优导频功率和数据功率之比为常数,且该常数仅由系统用户数、导频长度以及信道相干时长所决定。利用该关系式,获得最优功率的闭合形式解,并提出一种低复杂度的迭代优化算法。最后,通过Matlab数值仿真对所提功率分配算法进行了验证,分析了不同系统参数(如天线数、用户数、电路功耗等)对系统最优能效性能的影响,同时可以看到通过少量的迭代次数便可收敛到稳定点。     

基于混合精度ADC量化的大规模MIMO系统能效联合优化算法

针对在接收端采用混合精度的数模转换器（analog-to-digitalconverter,ADC）的大规模MIMO系统上行链路,提出一种能效优化算法。在采用最大比合并（maximumratiocombining,MRC）检测算法的基础上,推导得到系统上行链路能效的近似闭式表达式。首先确定高精度ADC的占比率,再以低分辨率ADC的量化精度、用户的发射功率和基站端天线数为优化目标的3个变量进行交替迭代得出最优的能效值;并进一步通过调整高精度ADC的占比率分析其对能效和频效的影响。仿真结果表明,所提算法具有较高的能效值,并且可以通过调整占比率实现能效与频效更好地折中。     

多波束赋形在非正交多址接入技术中的应用研究

为解决非正交多址接入(NOMA)技术在毫米波Massive MIMO系统中用户的分组受限于基站波束宽度的问题,提出了一种能够产生指向多个方向的波束的波束赋形方案.基于该多波束波束赋形方案,建立了多小区多用户场景下的用户资源分配的数学模型.为降低计算的复杂性,采用两阶段的资源分配算法.在第一阶段中,在给定的功率分配条件下将模型转化为联盟博弈中联盟的生成问题,并提出一种通过迭代确定用户分组和天线单元分配的算法;在第二阶段中,通过将非凸的数学优化问题转化为DC规划问题,提出用户功率分配的算法.仿真结果表明,本文所提多波束波束赋形方案能够有效产生指向多个方向的波束,且所提资源分配算法能够有效提高系统的性能.     

D2D系统中带QoS约束的多天线选择及性能分析

本文研究了蜂窝直通通信（Device-to-Device,D2D）系统中基站端多天线选择问题,即在基站传输过程中选择多于一根天线进行传输。借助于次序统计的相关结论,本文分析了该D2D系统的整体性能。本文首先针对基站内的激活用户和D2D用户分别推导了概率密度函数和累积密度函数,进而得到了D2D系统的整体中断概率。基于推导结果,本文提出了一种基于服务质量（Quality of Service,QoS）约束的多天线选择方案来进一步提高基站端的能效,其中所需的天线数根据QoS约束和发送信噪比来确定。论文最后通过仿真验证了所做推导的正确性,以及展示了本文所提方案相对于最优天线选择的优势。      

采用离散粒子群优化的CoMP等功率分配算法

为了提高多点协同小区边缘用户的速率,提出了采用离散粒子群优化的等功率分配算法(DPSO-EPA)。该算法在各个协同基站功率一定的约束条件下,以用户吞吐量为目标函数,采用等功率的离散粒子群优化算法,对每个基站的功率进行分配。仿真结果表明,所提算法逼近理论最优的联合注水算法,在吞吐量和迭代次数上具有显著优势。     

基于天线选择和功率分配的联合迭代优化算法

当使用所有天线进行无线数据传输时，大规模多输入多输出（Multiple-Input multiple-Output,MIMO）系统中的基站需要使用与天线数相同的射频链路，导致系统的实现复杂度增加，降低了系统的能效。针对能效降低的问题，提出了一种天线选择和功率分配的联合迭代优化算法。该算法在给定初始发送功率的条件下，随机生成一个天线集合作为内循环的初始值，内循环每次从余下的天线集合中选择一根具有最大能效的天线进行替换，得出最优天线集合，求出相应的最优发送功率，并以此作为下次外循环发送功率的初始值。仿真结果表明，所提算法在降低计算复杂度的前提下，几乎可以达到近似于最优穷举搜索算法的能效性能。     

3D MIMO-OFDMA系统中基于垂直波束成形的能效优化算法

针对三维多输入多输出（3D MIMO）正交频分多址（OFDMA）系统,提出了一种能效优化算法。该算法在垂直波束成形技术下,以能量效率最大化为目标,通过调整资源分配、功率分配、天线的波束下倾角来提高系统能量效率。根据分数优化理论,将复杂的分数优化问题转化为较易求解的整式优化问题,然后引入拉格朗日乘子通过不断迭代得到能量效率的最优值。仿真结果表明,所提算法在较少迭代次数下可以获得更高的能量效率。     

基于能效最优准则的双跳中继网络功率分配算法

针对单天线多跳系统中的资源分配策略进行了研究,重点研究了基于能效最优的功率分配算法。所提算法以系统能效最大化为设计目标,以满足指定的系统服务质量(QoS, quality of service)为约束条件,建立了以源节点和中继节点发射功率为设计变量的数学优化模型。通过大信噪比区间近似等效,将原始的非凸优化问题转化为凸优化问题。再利用拉格朗日对偶函数凸优化算法,并借助于Lambert 函数,最终得到一种功率分配方案的闭合形式解,避免了采用交替迭代方法来求解最优化问题。相比传统以系统频谱效率最大化为目标的算法,所提算法能更好地提升系统整体能效,同时降低了功率分配算法的复杂度。     

Energy-efficiency resource allocation of very large multi-user MIMO systems

With increasing demand in multimedia applications and high data rate services, energy consumption of wireless devices has become a problem. At the user equipment side, high-level energy consumption brings much inconvenience, especially for mobile terminals that cannot connect an external charger, due to an exponentially increasing gap between the available and required battery capacity. Motivated by this, in this paper we consider uplink energy-efficient resource allocation in very large multi-user MIMO systems. Specifically, both the number of antenna arrays at BS and the transmit data rate at the user are adjusted to maximize the energy efficiency, in which the power consumption accounts for both transmit power and circuit power. We proposed two algorithms. Algorithm1, we demonstrate the existence of a unique globally optimal data rate and the number of antenna arrays by exploiting the properties of objective function, then we develop an iterative algorithm to obtain this optimal solution. Algorithm2, we transform the considered nonconvex optimization problem into a convex optimization problem by exploiting the properties of fractional programming, then we develop an efficient iterative resource allocation algorithm to obtain this optimal solution. Our simulation results did not only show that the the proposed two algorithms converge to the solution within a small number of iterations, but demonstrated also the performances of the proposed two algorithms are close to the optimum. Meanwhile, it also shows that with a given number iterations the performance of proposed algorithm1 is superior to proposed algorithm2 under small p _C . On the contrary, the performance of proposed algorithm2 is superior to proposed algorithm1 under large p _C .     

Massive MIMO异构网的高能效资源分配

为满足第五代移动通信系统高频谱效率和高能量效率的需求,提出一种工作在不同频段下行两层异构网中的高能量效率资源分配方法,考虑用户数据率需求和基站最大发射功率。天线和传输带宽是影响系统能量效率的关键因素。通过研究宏基站和小基站的天线资源和带宽分配发现:当系统天线数很大时,发射功耗的影响可以忽略不计;给定带宽分配因子时,达到宏基站或微基站最大发射功率的天线分配因子几乎可以达到最高能效;给定天线分配因子时,系统平均总功耗是关于带宽分配因子的下凸函数,存在全局最优带宽分配因子使能效最高。仿真结果表明,与给定带宽和天线资源的异构网和小小区网络相比,所提出的异构网可以显著提高系统能量效率,而且在大量用户、高数据率需求时能效提升更明显。      

Interference analysis and capacity for forward link 3G CDMA network with adaptive antennas

In code division multiple access (CDMA) systems, the capacity of forward link (FL) communication to mobile receivers is limited primarily by co‐channel interference (CCI). Adaptive antenna arrays (AAAs) that use antenna arrays along with advanced signal processing at the base station (BS) have been proposed to mitigate this limitation. For a 3G CDMA cellular network, where each BS equipped with an AAA serves mixture of voice and data users within its coverage, we study FL capacity and investigate the effects of different factors (array topology, multipath angle spread, data rate, and beamforming algorithm) on this capacity under Rayleigh fading channel. By modeling the instantaneous signal‐to‐interference power ratio received at the mobile, we derive the system outage equation that considers blocking of either desired voice or data user. Simulation results show that for the same element spacing and number of antenna elements per cell, the uniform circular array (UCA) topology results in larger capacity than the sectorized uniform linear array (ULA) topology does, and that a larger angle spread or data user rate reduces FL capacity. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

使用对偶分解的MU-CoMP-JT联合资源分配

在MU-Co MP-JT(Multi-User Coordinated Multiple-Points Joint Transmission)联合资源分配问题中,传统的迫零预编码矩阵会使得每根天线发送功率互不相同,当Co MP节点发射功率仅满足总功率约束时性能损失不明显,而当Co MP节点分布在不同的地理位置时将受到单节点功率约束,这势必会降低系统功率利用率。为了进一步提升系统吞吐量,基于对偶分解理论提出了一种联合预编码优化的资源分配算法。该算法以最大化用户权重速率为目标,将原优化问题分解成若干个优化的子问题,不同子问题对应不同接收天线数的联合优化问题。当子信道的发送天线数大于接收天线数时,通过多次迭代计算得到预编码矩阵,并且预编码矩阵会随着拉格朗日因子的变化而变化。仿真结果表明所提联合预编码优化的联合资源分配算法能够明显提升系统吞吐量,且提高天线功率利用效率。     

多波束卫星通信功率带宽联合优化算法

在多波束卫星通信系统中,资源利用率受星上能量的限制,提高资源利用率非常重要。为提高星上资源优化的灵活性,在考虑自由空间损耗、天线增益、雨衰和波束间干扰的基础上,提出一种基于不同业务需求和信道条件的多波束卫星通信下行链路功率带宽联合优化算法。该联合优化算法采用二阶差分目标函数,运用拉格朗日对偶理论和次梯度法求得该联合优化问题最优解的下界。仿真结果分析表明,与单独地优化功率和带宽算法相比,该功率带宽联合优化算法可以根据不同的业务需求和信道条件更加灵活地分配系统容量,提高了资源利用率。      

基于双连接和回传带宽配置的系统吞吐量效用和最大化算法

针对双连接可行的异构无线网络中关于用户关联和回传带宽配置的联合优化问题,构建了一个新的网络吞吐量效用和最大化框架。将该联合优化问题建模为一个非凸的混合整数分式优化问题。为了便于求解,首先将原建模问题进行去分式化转换,然后针对转换后依旧非凸的混合整数非线性优化问题,将其分解为两个优化子问题分别求解。通过固定用户关联变量,得到了最优的回传带宽配置机制;通过固定回传带宽配置因子变量,提出一个有效的迭代算法求解双连接可行的用户关联子问题。相比固定的回传带宽配置机制,所提算法可以获得最优的回传单位带宽配置因子值,同时拥有最优的系统吞吐量和系统吞吐量效用和性能。     

一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法

针对接入与回传一体化小基站场景下用户个性化视频流业务需求问题,该文提出一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法。该算法首先根据系统实际可达速率和用户满意度需求速率间的不匹配程度,动态调整下一周期队列传输所需频谱资源,并建立用户质量满意度最大化模型,其次运用Lyapunov优化方法把初始问题转化为Lyapunov偏移加罚项的优化,将溢出概率约束转化为关于自变量的不等式,最后基于拉格朗日对偶分解的用户接入带宽分配算法和基于内点法的回传和接入带宽分配算法进行求解。仿真结果表明,该算法提高了系统用户质量满意度,同时保证了系统稳定性。