文摘
发射机电源管理机制提出了在多输入多输出(MIMO)多用户随机波束形成与自适应调制策略执行的系统。建议的机制的目标是服务质量(QoS)为预定的用户满意度。QoS由应用程序要求数据速率和符号错误率。停电的问题被认为是和一个实际的方法提出了最小化的故障概率。结果令人鼓舞,因为他们表现出极大的减少系统功率预算。多用户系统能力也是利用来实现更大的节能价值和小概率调度用户的停电在每次即时最好的频道特色。保存实力和停电的数量概率都是通过封闭表达式。这些理论结果相比,计算机模拟显示很好的协议性能。
1。介绍
电力无线系统的效率是一个非常有趣的和及时的主题的研究领域。无线网络接口消耗大量的力量,不断增加主要是由于发射机操作在基站(BS)。无线运营商消耗大量的电力,电费构成大部分网络的运行成本(1]。因此,如果我们在BSs降低消耗功率,降低沟通成本,我们将帮助减少护理环境排放。
无线信道的主要特征是它的变化随着时间的推移,哪些地方已经实施了几种方法来解决这种通道的变化。这一策略已经在现实中实现系统自适应调制(AM)。通过使用,使用的发射机是不断变化的调制与瞬时信道匹配条件。是显示为一种提高系统性能(2]。
这样的就业是主要用于提高系统的平均数据速率,但其他系统指标,而不是数据速率,也有趣的系统运营商。这样的目标之一涉及到所请求的服务质量(QoS)内的客户网络。QoS的潜在的测量是通过最小保证数据速率和最大允许符号错误率(SER)每个用户。每个服务用户保证最低信噪比(信噪比),提供其要求和允许用户正确解码其预期数据与预定义的SER [3]。对于每个用户的最低要求,之前的研究表明,用户满意是无关紧要的增加性能高于其需求,而另一方面,如果不能保证其所提供的资源需求,满意度大幅减少(4]。因此,一个有吸引力的传输方案是通过满足最低要求为每个预定的用户同时最小化总传输功率。
多个天线的可用性的BS允许实现多输入多输出(MIMO)波束形成方案在传感器端。提取所有受益于天线系统,信道状态信息(CSI)的意识需要在传感器端传输之前就开始了。然而,所需的开销,使CSI是巨大的和不切实际的,尤其是在多用户场景(3]。部分CSI是适当的机制和可行的开销,使波束形成系统资源(5]。多用户随机波束形成是一个有趣的波束形成的策略,只需要局部CSI和它提供了一个出色的表现5)通过选择,在每个调度时间,用户表现出最好的性能对随机生成的梁在发射机的一面。QoS限制下仍应对其性能(3]为了受益于场景特征的QoS的成就。
跨层(XL)战略将提出采用信息通道特征的QoS管理。此外,XL节电哲学被认为;对于一个给定的每个用户的QoS系统将允许减少信道的传输功率的连续监测的条件。因此,将意识到的需要满足每个用户的QoS-requirement,随之而来的总发射功率数下降。
量的最小化发射功率,而QoS实现,系统设计师来说是一个挑战,因为无线信道的性质和限制权力和频谱资源。此外,QoS复杂任务的多样化需求,多个应用程序可以在系统中同时共存。几个解决方案已经在文献中分别提出解决每一个研究问题;(6,7]提出适应性subcarrier-bit分配基于QoS需求时(8,9)考虑QoS问题通过允许控制和调度算法。文中对传输功率分配梁系统提出了(10),为每个预定的用户保证所需的速度。率最大化和QoS需求相结合11)设计目标;另一方面,比例公平调度程序处理不同的QoS要求是设计(12]。
在当前,电源管理机制的是技术提出了基于MIMO多用户随机波束成型方案,用户最好的定于传输通道特性,然后采用调制的基础上其所代表的qos要求要求数据速率和SER值。的发射功率分配的最小值满足所需的QoS,获得跨层框架实现率和SER的要求。所需的传输功率提出了闭合表达式,连同其统计分布。识别系统性能的一个重要指标在实际系统的停电13)为代表的概率超过了最大允许传输功率。这个指标也得到闭合表达式,没有先前的贡献在文献中已经获得所有这些量通过数学公式。停电问题的一个实际的解决方案,通过一个修改的机会波束形成决定选择另一个用户,可以没有停电的可能性。计算机模拟验证数学结果。
本文的其余部分组织如下。部分2介绍了系统模型中,MIMO在发射机端机会波束形成,并对自适应调制过程。部分3论述了提出了电源管理技术及其性能通过闭合表达式,紧随其后的是一节4与合成的讨论资源通过数学表达式停电。部分5提出了一个修改的机会波束形成来克服停电问题,其次是部分6数值结果和模拟。本文最后的结论部分7。
2。系统模型
我们专注于下行通道接收器,每个人都配备一个接收天线,被发射机的服务基站(BS)提供发射天线。一个通道被认为是每个用户和b之间的一个准静态块衰落模型。通道是通过相干时间保持不变的和独立的变化之间的连续时间间隔与独立同分布(先验知识)复杂的高斯条目~ CN (0, 1)。让表示信号传播;然后接收到的信号是由 在哪里是一个添加剂i.i.d.复杂噪声分量为零,意味着什么。总传输功率被认为是。传输的信号天线波束形成向量需要在传感器端,使传输信号,在那里不相关的数据符号吗用户提供。为了简化符号,时间尽可能的指数下降。
我们假设一个异构系统,用户运行不同的应用程序。每个应用程序都有自己的QoS需求表示为一个指定的数据率和爵士。
2.1。机会波束形成
主波束形成政策是一种在MIMO场景随机波束形成(5),系统的发射机实现最大化平均数据速率。在收购的步骤,一个i.i.d.复杂的高斯~ CN(0, 1)单位功率随机梁生成在发射机端和一个已知的训练序列使用生成的光束传输系统中的所有用户,每个用户计算接收到的信噪比和提要回BS。BS调度器选择用户信噪比最高的价值受益于当前通道的情况,导致改善全球系统的性能。为用户提供最好的传输信道条件选择,这个方案被称为投机取巧的调度器(5]。一个修改版本调度器已经实现在细胞3.5 g HSDPA-HDR标准。
除了低复杂性,投机取巧的波束形成只需要部分CSI激励其包含在商业系统。使用机会波束形成实现吞吐量(TH)是给定如下: 在哪里是期望算子表示的平均价值。注意到的价值反映了服务信噪比(即。,用户的信噪比被选中后获得传输)。信噪比的值计算每个用户如下: 发射功率值通常是团结,除了节能机制稍后我们将看到节吗3。
基于这样的选择哲学向用户提供服务,信噪比的服务可以获得信噪比分布概率分布函数(pdf)i.i.d.复杂的高斯通道(5,14),这是规定 及其累积分布函数(cdf)是制定14] 和自服务的最大信噪比所有用户的信噪比的值,然后cdf的信噪比表示为(15] 和pdf的信噪比是因此获得服务
考虑到提供服务的速度,概率服务的信噪比高于一些预定义的阈值给药 的价值可以最低可接受的信噪比的值在每个调制一步,现在将解释道。
2.2。自适应调制
无线信道是不断波动的。需要适应这些变化来实现良好的性能在无线系统。是策略(16)是通过一个瞬时的变化采用调制水平相匹配的BS发射机参数信道条件所需的服务用户的QoS。
注意,用户的选择最好的信噪比价值实际上是另一种适应发射机处理通道属性。在这方面,它遵循相同的策略是计划(16),这两种策略对提高无线信道性能。本文集中于投机取巧的调度器,我们认为这是一起发射机适应信道的特征。我们稍后将使用这个场景呈现一个电源管理策略的闭合表达式。
考虑一个方案提供可用的利率以升序排序(2]。每个率将用于传输服务的QoS保证当用户使用相应的隐含调制类型。任何调制类型的门槛是最低信噪比的值可以满足所需的SER值对应的调制。
3所示。电源管理机制
考虑场景是传输和机会波束形成讨论,我们现在能力管理机制及其封闭形式的数学表达式。本文将利用的特点是战略定义的间隔。
一旦用户信噪比最高的计划,其所需的速度和SER决心和总信噪比范围分为调制区域根据所需的爵士。每个地区支持一个调制类型。为了实现所需的速度和SER,收到信噪比必须在相应的调制。在那之后,发射功率必须分配调整调制区域内的信噪比。
由于划分区域,在每个区域相同的调制采用相同的要求SER满意度、问题,我们将利用实现节能。例如,假设用户满足预定的QoS和QPSK调制;然后,根据爵士,总的分为区域范围。表1介绍了调制阈值(在SER)计算方程(17]。基于表1,QPSK调制的QoS保证,所需的数据率是通过任何SNR值在10.34和14.20之间。在的情况下然而,权力的分配权力小于。因此,节电的目的,必须减少分配的权力,使信噪比表达式(3)来匹配的信噪比阈值(在我们的示例中)所需的调制。
注意,每个应用程序都需要一个SER的价值观和之一利率(即。,modulation types), so the QoS for any application is given by two values,在那里和。提出了哲学后,合成所需的传输能量,用认为,测量信噪比之间的比例()和信噪比阈值,使其制定的 在哪里所需的阈值调制类型根据所需的获得。为假定的异构系统的可能性利率与SER的价值观,我们制定所需的平均传输能量 在哪里的概率是预定的QoS保证用户满意吗和。利用幂级数展开和分部积分(7),(10)在一个封闭表达式可以解决(见附录一个):
4所示。节电资源下停机
前一节中介绍了电源管理技术,可以完全满足所有用户的QoS要求最低的传输能量。在商业系统中,传输功率仅限于一个最大值(例如,1瓦特)定义的相应标准。这样一个限制因素肯定会影响我们的提议,所以在这一节中,我们处理的权力限制的问题,我们通过数学表达式获得其概率。然后我们现在保存的最大权力制约权力。
4.1。资源故障概率
如果所需的权力低于总可用功率,很明显的QoS会满意,我们可以应用在前一节中描述的节能算法。另一方面,所需的传输功率满足所需的QoS可能大于最大允许功率由系统。因此,QoS不会满足,用户遭受停电。指的是(9),停电只发生如果测量信噪比()小于所需的阈值调制(在要求调制区域(即)。,corresponding to the demanded rate and SER values). The probability of power outage equals to the integral of the PDF of the serving SNR from zero to the threshold of the required modulation乘以调制阈值的概率。在数学上,这种资源停电概率(我们给它 这将在稍后用于配方。
4.2。节省电力停电
一旦能源中断的概率计算,我们现在保存实力,当拟议的技术应用。这些计算是非常有用的系统设计师来精确调整电源BS。
保存实力被定义为总可用功率的区别和实际的传输功率,当测量信噪比大于所需的调制阈值(即。,不停机)。因此,保存实力是由 保存实力,平均年龄在所有的地区SER的价值观和利率是由 集成从哪里为了克服故障的概率。方程(14)可以解决我们目前隐函数表达式如下所示(见附录B): 在哪里指数积分函数定义为(18]。
5。修改机会波束形成
QoS满意度是我们电源管理方案的主要目的。然而,权力限制在现实系统是主要的问题,影响了我们的建议。因此,我们提出一个方法来解决这个问题,减少停电概率。它是基于一个修改用户调度,而不是投机取巧。请注意,一旦用户最好的通道(即特征。信噪比最高的)被选中时,(9)表明,停电问题只发生如果测量信噪比小于阈值需要调制的一个预定义的QoS的满意度。
如果另一个用户将与另一个较低的信噪比价值低于最大和QoS需求,存在的概率BS可以满足其要求。因此,一个新的调度策略是现在提出基于这种哲学。
每个用户都知道其信噪比测量值以及它的QoS要求。因此,只有用户可以满足他们的QoS与各自的SNR值可以反馈。这些用户可以称为“QoS潜在用户。“因此,修改后的执行机会波束形成中只有QoS潜在用户,而不是在所有的用户。这样的修改策略将减少反馈负载,它避免了停电,它保证了BS总是能够应用节能机制。
用户订阅的概率BS(即他的信噪比。作为一个QoS潜在用户)被定义为所需功率的概率低于总可用功率BS。我们制定它 这可以通过(简化5),
反馈的负载被定义为反馈用户的数量吗的用户总数,二项分布 和反馈用户的平均数量可以给
显示保存的权力使用这个修改调度,我们必须获得代表修改服务的提供基于信噪比的建议。的提供最大用户可以很容易地推导出利用次序统计量cdf,考虑到它的最大的用户提供的次序统计量(15]。因此,最大的用户有修改cdf实验组的获得
保存实力的数量可以通过引用(14),取代了pdf通过修改pdf代表的新服务信噪比,我们获得的 在哪里的概率是为信噪比是吗我们给最大信噪比
方程(21)代表的保存实力的修改机会波束形成方案。通过使用附录的方程B,它可以在一个封闭的形式来表示 的常数通过定义
注意,应用此修改调度导致停电的可能性为零。值得注意的是,有一个小的概率不为任何用户服务。这个概率发生在所有用户无法满足他们的QoS要求,因此,没有一个用户将反馈其信噪比。概率,我们代替在(18)如下:
6。模拟
评估的性能提出了电源管理技术,异构的情况是,用户设置不同的QoS要求系统中共存。结果通过蒙特卡洛模拟。在考虑场景中,BS打算与单个用户。总共用户系统中可用i.i.d.频道特色。噪声的方差还以为在一起总在发射机和接收机15 dBi天线增益。废话,毕竟用户报告他们的信噪比,用户提供的最大信噪比计划和节能机制被应用。表2提出了假定的QoS要求每个用户,这些不同的QoS需求之间的映射和QoS保证所需的最小信噪比。这些值的计算是基于SER方程(17]。在理论的结果,因为我们假设我。d用户,服务用户使用特定的QoS需求的概率等于用户;也就是说,为所有用户。
平均所需的传输能量的平均信噪比和系统如图1。记住,所需的传输能量的力量可以满足任何用户的QoS。图1表明,越来越信噪比的平均需要功率降低价值,因为预定的平均信噪比的增加,所需的权力满足QoS需求将减少(9)。同时从图1,请注意所需的发射功率与用户的数量减少。多用户获得一直提出提高系统的平均数据速率(5),而在这里,我们看到在我们的例子中,它也可以用来实现一个伟大的系统中功率降低。比较仿真结果的数学表达式,我们之前制定的(11),我们注意到它们之间的精确匹配,获得数学结果而不是基于近似精确系统pdf和cdf表达式。
关于权力限制的事实在实际系统中,我们提出了技术产生中断的电力资源。图2显示了停电的概率和平均信噪比和用户。停电的发生只有所需的力量大于可用的力量,而所需的传输能量降低的提高信噪比的值,然后停电概率也会因此降低信噪比的值增大,确认图2。也在这里,多用户的多样性提供了有用的系统属性,因为它增强了减少停电概率。注意之间的精确匹配仿真和理论结果(见(12)),它支持我们以前提出了理论分析。
为了克服停电的问题,提出了一种修改机会波束形成方案5。这一算法,图3块保存实力的百分比和平均信噪比。注意保存实力达到的百分比高信噪比的值,显示大节电,只能通过允许反馈用户可以满足他们的QoS要求。结果绘制和用户显示多用户中获得我们的建议。值得提及,我们建议安排总是需要一个等于或比古典机会波束形成较小的传输功率。这是因为该调度服务QoS要求较低的用户。分析结果得到了使用(23)。
7所示。结论
本文提出一种跨层电源管理策略,受益于自适应调制的间隔,在定义的服务质量指标的最小数据速率和最大允许SER价值。所需的发射功率下降到最低水平相匹配的QoS要求用于多用户调度时选择用户在每次即时最好的频道特色。封闭的数学表达式获得了大量的传播和保存实力。也被认为是权力限制的问题,介绍了能源中断概率的闭合表达式。修改机会波束形成,提出了克服电力资源在实际系统宕机的问题。模拟显示精确匹配的理论表达式。给出了系统多用户获得作为一个潜在的资源,以提高系统的功率效率。
提出了电源管理机制的分析揭示了更先进的机制应用多输入多输出(MIMO)波束形成策略(19)和MIMO中继(20.)的场景,相同的电源管理理念可以应用。
附录
答:推导(11)
使用二项式幂级数,我们写 我们重新安排,
可以分为两个积分的积分如下: 我们替换第二个指数积分,积分的定义是(18),所以我们最后的表情变成了
它仍然是解决第一个积分是一种反常积分,使用指数函数的幂级数表示,我们改写如下: 这是简化为
执行的集成,我们获得 用积分限制,我们状态
第一项()在第三求和是常数,通过身份当(18),用最后一个方程 我们评估最后总结如下: 在哪里是欧拉常数。使用以前的身份是一个常数,我们获得所需的传输能量的数量吗 在(11)。
b .推导(15)
我们扩大的积分(14)两个积分如下: 第一个积分=。使用(7),我们把它写成
利用幂级数展开,我们简化(B.2), 我们重新安排,
使用指数积分(18),我们提供保存实力的闭合表达式 在(15)。
确认
这项工作已经由研究项目GREENET (pitn - ga - 2010 - 264759), CO2GREEN (tec2010 - 20823),和紫云轩(cp8 - 006)。