無線多接入信道的能量極限分析

【摘要】 能效優(yōu)先的傳輸理論和技術(shù)對于下一代無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計具有重要的意義。本項目應(yīng)用多用戶信息論，研究無線多接入信道能效與譜效之間的折中關(guān)系，及其能量效率極限等理論問題。本項目將從理論上研究多接入信道的能量極限，從而提升移動終端電池的續(xù)航能力，增強用戶體驗，為下一代綠色無線通信系統(tǒng)的設(shè)計提供新思想、新技術(shù)和新方法。

【關(guān)鍵詞】 無線多接入信道 能量效率極限 綠色無線通信系統(tǒng)

在過去的十多年，無線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，一系列新型無線技術(shù)，諸如MIMO、OFDM、協(xié)作中繼、認知無線電等的發(fā)明和應(yīng)用，使人們享受到了前所未有的無線新體驗。但隨著無線業(yè)務(wù)和無線應(yīng)用的進一步發(fā)展，終端消耗的能量越來越多，引起了人們的密切關(guān)注。然而，電池技術(shù)的發(fā)展在過去的十多年趕不上無線通信技術(shù)的發(fā)展，使得當(dāng)前的智能終端都面臨電池耗電快，續(xù)航時間短的局面。隨著問題的加劇，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界開始逐漸重視通信網(wǎng)絡(luò)和終端的能量消耗問題，提出“綠色通信”的概念。

綠色通信涉及的范圍非常之廣，從技術(shù)角度主要包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)能、基站節(jié)能和終端節(jié)能。本文主要考慮終端的節(jié)能通信。對于一個移動終端，無線通信單元消耗了絕大部分的能量。因此，通信能耗的下降對于降低終端整體能耗，提升電池續(xù)航能力具有至關(guān)重要的意義。而終端的通信能量大部分消耗在上行傳輸，因此，我們聚焦無線多接入信道上的能效優(yōu)先傳輸技術(shù)，從用戶調(diào)度、信道分配、功率分配和分組映射等技術(shù)角度出發(fā)，對傳統(tǒng)譜效優(yōu)先的設(shè)計思想和準(zhǔn)則進行重新審視，提出以能量效率為優(yōu)化目標(biāo)的新型用戶調(diào)度和資源分配技術(shù)。

一、高斯多接入信道能效與譜效關(guān)系

高斯多接入信道的容量區(qū)問題已經(jīng)得到解決，揭示了多用戶在獨立功率約束下使用同一信道同時向目的節(jié)點發(fā)送信息時發(fā)射速率之間的約束關(guān)系，另一方面，對于單用戶信道，香農(nóng)提出了其能量效率與頻譜效率之間的折中關(guān)系，并且給出了的能效極限。

根據(jù)定義的信道能效區(qū)概念，是在給定信道頻率效率的前提下，信道能量效率的取值范圍（單用戶）或能量效率的可達區(qū)域（多用戶）。多用戶信道中，能效區(qū)可用M維矢量表示，與頻率效率的概念相對應(yīng)，能量效率必然為多用戶之間的一個約束，不僅如此，還應(yīng)該是M用戶頻率效率之間的約束的約束。與信道容量區(qū)（也就是頻效區(qū)）一樣，我們也許可以類比能效區(qū)一些可能的概念。

1.1 單用戶信道

對于單用戶的高斯信道，能效區(qū)的表達式及其取值范圍為：

R≤Wlog2（1+） （1）

ε≤ （2）

考慮到高斯信道的頻率效率取值范圍（0，+∞），并且上一不等式的單調(diào)性，可以得到單用戶高斯信道的能量效率取值范圍為（0，1.443），即發(fā)送1個bit至少需要0.692單位能量。

1.2 多用戶信道

單用戶信道能效與譜效之間的簡單函數(shù)關(guān)系不能直接推廣到多接入信道，原因在于多接入信道中各用戶的發(fā)射速率即頻譜效率受到相互制約。多接入信道的能效和譜效將不再是簡單的標(biāo)量，分別為多維矢量和，其中和中的元素分別代表各用戶的能效和譜效。和蘊涵著豐富的折中關(guān)系：各用戶的頻譜效率約束關(guān)系、多接入信道的“能效區(qū)”、多接入信道能效和譜效之間的折中關(guān)系。

對于多接入信道（具有獨立消息的高斯無記憶下），以兩用戶的多接入信道為例，定義εi=Ri/Pi，i=1，2，代表用戶i 的能量效率，ηi=Ri/W，i=1，2，為用戶i的頻譜效率，則可以寫出約束關(guān)系為：

（3）

（4）

兩條曲線構(gòu)成的兩用戶多接入信道的“能效區(qū)”為圖1所示的區(qū)域。

二、能效分配

得到能效區(qū)函數(shù)以后我們要考慮在實際中如何選擇兩用戶能效的分配，這里有兩種衡量方式，一種是兩用戶的能效和，一種是能效積，我們分別考慮：

（1）兩用戶能效區(qū)能效和最大點

構(gòu)造一個優(yōu)化的函數(shù)

C=ε1+ε2

C的最大值在或

取到

（2）兩用戶能效區(qū)能效積最大點

構(gòu)造一個優(yōu)化函數(shù)

C=ε1·ε2

對于兩用戶多接入信道能效區(qū)，分兩段考慮

在第一段上，

在第二段（雙曲線）上，

C的最大值在或

取得；

三、結(jié)束語

本文主要進行理論層面的推導(dǎo)，探討在上行傳輸中各個用戶傳輸1比特信息所需要的最少能量問題。并基于三個關(guān)鍵問題：

（1）高斯多接入信道的能效區(qū)理論；

（2）高斯多接入信道的能效和譜效折中關(guān)系；

（3）高斯多接入信道的能效極限問題。

在得到理論層面的結(jié)果后，可以進一步在技術(shù)層面提出多接入系統(tǒng)能效優(yōu)先的用戶調(diào)度和資源分配技術(shù)，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化理論的方法建立電路能好模型，并最終得到優(yōu)化算法。

參 考 文 獻

[1] Z. Hasan， H. Boostanimehr， V.K Bhargava， “Green Cellular Networks： A Survey， Some Research Issues and Challenges，” IEEE Communications Survey Tutorial， vol. 13， no. 4， Fourth Quarter， 2011.

[2] Y. Chen， S. Zhang， S. Xu， and G. Y. Li， “Fundamental tradeoffs on green wireless networks，” IEEE Communications Magazine， vol. 49， no. 6， pp.30-37， June 2011.

[3] Y. Chen， S. Zhang， and S. Xu， “Characterizing Energy Efficiency and Deployment Efficiency Relations for Green Architecture Design，” Proc. IEEE ICC ’10， Cape Town， South Africa， May 2010.