论文部分内容阅读
【摘要】 能效优先的传输理论和技术对于下一代无线网络的设计具有重要的意义。本项目应用多用户信息论，研究无线多接入信道能效与谱效之间的折中关系，及其能量效率极限等理论问题。本项目将从理论上研究多接入信道的能量极限，从而提升移动终端电池的续航能力，增强用户体验，为下一代绿色无线通信系统的设计提供新思想、新技术和新方法。
【关键词】 无线多接入信道 能量效率极限 绿色无线通信系统
在过去的十多年，无线通信产业发生了翻天覆地的变化，一系列新型无线技术，诸如MIMO、OFDM、协作中继、认知无线电等的发明和应用，使人们享受到了前所未有的无线新体验。但随着无线业务和无线应用的进一步发展，终端消耗的能量越来越多，引起了人们的密切关注。然而，电池技术的发展在过去的十多年赶不上无线通信技术的发展，使得当前的智能终端都面临电池耗电快，续航时间短的局面。随着问题的加剧，工业界和学术界开始逐渐重视通信网络和终端的能量消耗问题，提出“绿色通信”的概念。
绿色通信涉及的范围非常之广，从技术角度主要包括网络节能、基站节能和终端节能。本文主要考虑终端的节能通信。对于一个移动终端，无线通信单元消耗了绝大部分的能量。因此，通信能耗的下降对于降低终端整体能耗，提升电池续航能力具有至关重要的意义。而终端的通信能量大部分消耗在上行传输，因此，我们聚焦无线多接入信道上的能效优先传输技术，从用户调度、信道分配、功率分配和分组映射等技术角度出发，对传统谱效优先的设计思想和准则进行重新审视，提出以能量效率为优化目标的新型用户调度和资源分配技术。
一、高斯多接入信道能效与谱效关系
高斯多接入信道的容量区问题已经得到解决，揭示了多用户在独立功率约束下使用同一信道同时向目的节点发送信息时发射速率之间的约束关系，另一方面，对于单用户信道，香农提出了其能量效率与频谱效率之间的折中关系，并且给出了的能效极限。
根据定义的信道能效区概念，是在给定信道频率效率的前提下，信道能量效率的取值范围（单用户）或能量效率的可达区域（多用户）。多用户信道中，能效区可用M维矢量表示，与频率效率的概念相对应，能量效率必然为多用户之间的一个约束，不仅如此，还应该是M用户频率效率之间的约束的约束。与信道容量区（也就是频效区）一样，我们也许可以类比能效区一些可能的概念。
1.1 单用户信道
对于单用户的高斯信道，能效区的表达式及其取值范围为：
R≤Wlog2（1+） （1）
ε≤ （2）
考虑到高斯信道的频率效率取值范围（0，+∞），并且上一不等式的单调性，可以得到单用户高斯信道的能量效率取值范围为（0，1.443），即发送1个bit至少需要0.692单位能量。
1.2 多用户信道
单用户信道能效与谱效之间的简单函数关系不能直接推广到多接入信道，原因在于多接入信道中各用户的发射速率即频谱效率受到相互制约。多接入信道的能效和谱效将不再是简单的标量，分别为多维矢量和，其中和中的元素分别代表各用户的能效和谱效。和蕴涵着丰富的折中关系：各用户的频谱效率约束关系、多接入信道的“能效区”、多接入信道能效和谱效之间的折中关系。
对于多接入信道（具有独立消息的高斯无记忆下），以两用户的多接入信道为例，定义εi=Ri/Pi，i=1，2，代表用户i 的能量效率，ηi=Ri/W，i=1，2，为用户i的频谱效率，则可以写出约束关系为：
（3）
（4）
两条曲线构成的两用户多接入信道的“能效区”为图1所示的区域。
二、能效分配
得到能效区函数以后我们要考虑在实际中如何选择两用户能效的分配，这里有两种衡量方式，一种是两用户的能效和，一种是能效积，我们分别考虑：
（1）两用户能效区能效和最大点
构造一个优化的函数
C=ε1+ε2
C的最大值在或
取到
（2）两用户能效区能效积最大点
构造一个优化函数
C=ε1·ε2
对于两用户多接入信道能效区，分两段考虑
在第一段上，
在第二段（双曲线）上，
C的最大值在或
取得；
三、结束语
本文主要进行理论层面的推导，探讨在上行传输中各个用户传输1比特信息所需要的最少能量问题。并基于三个关键问题：
（1）高斯多接入信道的能效区理论；
（2）高斯多接入信道的能效和谱效折中关系；
（3）高斯多接入信道的能效极限问题。
在得到理论层面的结果后，可以进一步在技术层面提出多接入系统能效优先的用户调度和资源分配技术，通过数学优化理论的方法建立电路能好模型，并最终得到优化算法。
参 考 文 献
[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.
【关键词】 无线多接入信道 能量效率极限 绿色无线通信系统
在过去的十多年，无线通信产业发生了翻天覆地的变化，一系列新型无线技术，诸如MIMO、OFDM、协作中继、认知无线电等的发明和应用，使人们享受到了前所未有的无线新体验。但随着无线业务和无线应用的进一步发展，终端消耗的能量越来越多，引起了人们的密切关注。然而，电池技术的发展在过去的十多年赶不上无线通信技术的发展，使得当前的智能终端都面临电池耗电快，续航时间短的局面。随着问题的加剧，工业界和学术界开始逐渐重视通信网络和终端的能量消耗问题，提出“绿色通信”的概念。
绿色通信涉及的范围非常之广，从技术角度主要包括网络节能、基站节能和终端节能。本文主要考虑终端的节能通信。对于一个移动终端，无线通信单元消耗了绝大部分的能量。因此，通信能耗的下降对于降低终端整体能耗，提升电池续航能力具有至关重要的意义。而终端的通信能量大部分消耗在上行传输，因此，我们聚焦无线多接入信道上的能效优先传输技术，从用户调度、信道分配、功率分配和分组映射等技术角度出发，对传统谱效优先的设计思想和准则进行重新审视，提出以能量效率为优化目标的新型用户调度和资源分配技术。
一、高斯多接入信道能效与谱效关系
高斯多接入信道的容量区问题已经得到解决，揭示了多用户在独立功率约束下使用同一信道同时向目的节点发送信息时发射速率之间的约束关系，另一方面，对于单用户信道，香农提出了其能量效率与频谱效率之间的折中关系，并且给出了的能效极限。
根据定义的信道能效区概念，是在给定信道频率效率的前提下，信道能量效率的取值范围（单用户）或能量效率的可达区域（多用户）。多用户信道中，能效区可用M维矢量表示，与频率效率的概念相对应，能量效率必然为多用户之间的一个约束，不仅如此，还应该是M用户频率效率之间的约束的约束。与信道容量区（也就是频效区）一样，我们也许可以类比能效区一些可能的概念。
1.1 单用户信道
对于单用户的高斯信道，能效区的表达式及其取值范围为：
R≤Wlog2（1+） （1）
ε≤ （2）
考虑到高斯信道的频率效率取值范围（0，+∞），并且上一不等式的单调性，可以得到单用户高斯信道的能量效率取值范围为（0，1.443），即发送1个bit至少需要0.692单位能量。
1.2 多用户信道
单用户信道能效与谱效之间的简单函数关系不能直接推广到多接入信道，原因在于多接入信道中各用户的发射速率即频谱效率受到相互制约。多接入信道的能效和谱效将不再是简单的标量，分别为多维矢量和，其中和中的元素分别代表各用户的能效和谱效。和蕴涵着丰富的折中关系：各用户的频谱效率约束关系、多接入信道的“能效区”、多接入信道能效和谱效之间的折中关系。
对于多接入信道（具有独立消息的高斯无记忆下），以两用户的多接入信道为例，定义εi=Ri/Pi，i=1，2，代表用户i 的能量效率，ηi=Ri/W，i=1，2，为用户i的频谱效率，则可以写出约束关系为：
两条曲线构成的两用户多接入信道的“能效区”为图1所示的区域。
二、能效分配
得到能效区函数以后我们要考虑在实际中如何选择两用户能效的分配，这里有两种衡量方式，一种是两用户的能效和，一种是能效积，我们分别考虑：
（1）两用户能效区能效和最大点
构造一个优化的函数
C=ε1+ε2
C的最大值在
（2）两用户能效区能效积最大点
构造一个优化函数
C=ε1·ε2
对于两用户多接入信道能效区，分两段考虑
在第一段上，
在第二段（双曲线）上，
C的最大值在
三、结束语
本文主要进行理论层面的推导，探讨在上行传输中各个用户传输1比特信息所需要的最少能量问题。并基于三个关键问题：
（1）高斯多接入信道的能效区理论；
（2）高斯多接入信道的能效和谱效折中关系；
（3）高斯多接入信道的能效极限问题。
在得到理论层面的结果后，可以进一步在技术层面提出多接入系统能效优先的用户调度和资源分配技术，通过数学优化理论的方法建立电路能好模型，并最终得到优化算法。
参 考 文 献
[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.