一种大规模MIMO中能量效率、频谱效率和QoS联合优化方法技术

本发明专利技术刚开了一种大规模MIMO中能量效率、频谱效率和QoS联合优化方法。包括：建立大规模MIMO下行链路模型，消除用户之间的干扰，将信道分解成为多个平行信道，计算系统效率；用户调度，判断每个用户的等待时隙数。优先调度数据等待时间达到或者超过最大等待时隙数的用户。如果选中的用户数没有达到上限，则利用贪婪算法调度用户；功率分配，以基站发送天线功率上限和用户QoS速率上下限为约束条件，进行功率分配，求解最大能量效率，最终得到频谱效率和能量效率的联合最优。本发明专利技术能够保证用户的QoS时延要求，并且得到的用户实际瞬时速率在QoS要求范围内。相对于只限定速率下限的分配方案来说，系统有效频谱效率更高，同时兼顾了频谱效率和能量效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信网络领域中的功率管理，特别是服务质量QoS技术，具体涉及一种在大规模MIMO下行信道中，能量效率、频谱效率和保证QoS的联合优化方法。
技术介绍
多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)能够在不增加频谱资源的前提下，提高系统信道容量。其中多用户MIMO(MU-MIMO)系统，通过空分复用，多个用户使用相同的时频资源进行通信，从而进一步提高了频谱效率。由于不同种类无线通信业务对QoS(QualityofService服务质量)时延、速率等有不同的要求，因此在保证QoS要求的前提下优化频谱效率(吞吐量)一直是MIMO系统资源分配的热点。近年来随着节能环保要求的不断提高，在无线通信系统中出现了能量效率(EnergyEfficiency,EE)这一优化指标，表示每单位能量所能传输的数据速率，单位是bits/s/Joule。现有的技术研究都是以频谱效率或者能量效率最大为目标，没有将两者结合起来。此做法存在如下问题：1)、单纯追求频谱效率最大，会导致能量消耗较大，导致频谱效率较低；仅仅追求能量消耗最小，可能会使得系统频谱效率较低。2)、现有的以系统总频谱效率为目标的方案，根据信道条件好坏来调度用户。这样会导致信道条件一直很差的用户总是得不到服务，即不能满足这部分用户的QoS时延需求。3)、目前保证QoS速率要求方面的研究均只考虑到速率下限要求。值得注意的是，有些业务不需要过高的速率即可满足要求。例如会话类业务中的语音业务，最低需要4kbps来保证语音的主观质量评分达到3.2分；而超过64kbps速率对于语音业务质量的提升没有意义。如公开号为CN103974404A(名称为\无线多天线虚拟MIMO中基于最大化有效容量功率分配方案\)的专利技术专利旨在优化总容量，但不能单独保证系统内每一位用户的速率要求。另外，该专利技术只限定了用户功率均值和峰值不能超过一个上限值，并没有限制下限要求，所以有可能会导致用户分配到的功率较低，无法满足其最低要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的是技术问题是针对现有技术中存在的频谱效率或者能量效率无法兼顾而提供了一种保证用户QoS时延和速率要求的大规模MIMO系统的频谱效率、能量效率的联合优化方案。为解决上述问题，本专利技术提出的技术方案是一种大规模MIMO中能量效率、频谱效率和QoS联合优化方法，包括如下步骤：步骤1、建立系统模型建立大规模MIMO下行链路模型，利用块对角化方法消除用户之间的干扰，并且将每个用户的信道等效成为多个平行信道，计算系统效率；步骤2、用户调度判断每个用户在基站缓存器中数据的等待时隙数，优先调度数据等待时间达到或者超过最大等待时隙数的用户，此时如果选中的用户数没有达到系统可服务的用户数上限，则再根据用户信道状态，以系统频谱效率为标准，利用贪婪算法调度用户，直到用户数量达到限制，由于该阶段只涉及用户等待时间和信道状态，所以此时的系统频谱效率是在功率平均分配的情况下获得的；步骤3、功率分配以基站发送天线功率上限和用户QoS速率上下限为约束条件，进行功率分配，对步骤2所得的系统频谱效率进行修正的同时，求解最大能量效率，最终得到频谱效率和能量效率的联合最优。进一步，步骤1中所述等效成为多个平行信道具体包括：等效之前新信道模型为：其中，KT为基站发射天线数，系统中总共有M个用户，第m个用户的接收天线数为km(1≤m≤M)，表示第m位的复高斯随机信道矩阵，一般有KT≥km，假设Hm满秩，即rank(Hm)＝km，表示第m个用户的预编码矩阵，表示第m个用户信道中的加性高斯白噪声，其均值为0，协方差矩阵为是km维的单位阵，上式中，第一项HmDmxm是第m个用户所需的信号，第二项是来自其他用户的干扰，令进行奇异值分解得到：和取块对角化预编码矩阵等效之后信道模型：其中，进一步，步骤2中所述调度用户需要优先考虑用户的时延要求，并且能够再根据信道状态进行以下操作：初始化：未选中用户的集合：Ω＝{1,2,…,M0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模MIMO中能量效率、频谱效率和QoS联合优化方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立系统模型建立大规模MIMO下行链路模型，利用块对角化方法消除用户之间的干扰，并且将每个用户的信道等效成为多个平行信道，计算系统效率；步骤2、用户调度判断每个用户在基站缓存器中数据的等待时隙数，优先调度数据等待时间达到或者超过最大等待时隙数的用户，此时如果选中的用户数没有达到系统可服务的用户数上限，则再根据用户信道状态，以系统频谱效率为标准，利用贪婪算法调度用户，直到用户数量达到限制，由于该阶段只涉及用户等待时间和信道状态，所以此时的系统频谱效率是在功率平均分配的情况下获得的；步骤3、功率分配以基站发送天线功率上限和用户QoS速率上下限为约束条件，进行功率分配，对步骤2所得的系统频谱效率进行修正的同时，求解最大能量效率，最终得到频谱效率和能量效率的联合最优。

【技术特征摘要】
1.一种大规模MIMO中能量效率、频谱效率和QoS联合优化方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立系统模型建立大规模MIMO下行链路模型，利用块对角化方法消除用户之间的干扰，并且将每个用户的信道等效成为多个平行信道，计算系统效率；步骤2、用户调度判断每个用户在基站缓存器中数据的等待时隙数，优先调度数据等待时间达到或者超过最大等待时隙数的用户，此时如果选中的用户数没有达到系统可服务的用户数上限，则再根据用户信道状态，以系统频谱效率为标准，利用贪婪算法调度用户，直到用户数量达到限制，由于该阶段只涉及用户等待时间和信道状态，所以此时的系统频谱效率是在功率平均分配的情况下获得的；步骤3、功率分配以基站发送天线功率上限和用户QoS速率上下限为约束条件，进行功率分配，对步骤2所得的系统频谱效率进行修正的同时，求解最大能量效率，最终得到频谱效率和能量效率的联合最优。2.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO中能量效率、频谱效率和QoS联合优化方法，其特征在于：步骤1中所述等效成为多个平行信道具体为：等效之...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘甦，陈堃，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32