[论文解读] Energy-Spectral Efficiency Trade-off for a Massive SU-MIMO System with Transceiver Power Consumption

Sudarshan Mukherjee, Saif Khan Mohammed|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文推导了在大规模单用户MIMO系统中，同时考虑功率放大器（PA）和收发机电路功耗时，最优能量谱效用（EE-SE）权衡的闭式表达式。结果表明，与经典模型不同，由于非辐射功耗的存在，低谱效率（SE）时能量效率（EE）随SE线性增加；在平均信道增益G_c较小时，EE随√G_c恶化，且在大规模MIMO场景下，PA功耗占比趋近50%。

ABSTRACT

We consider a single user (SU) massive MIMO system with multiple antennas at the transmitter (base station) and a single antenna at the user terminal (UT). Taking transceiver power consumption into consideration, for a given spectral efficiency (SE) we maximize the energy efficiency (EE) as a function of the number of base station (BS) antennas $M$, resulting in a closed-form expression for the optimal SE-EE trade-off. It is observed that in contrast to the classical SE-EE trade-off (which considers only the radiated power), with transceiver power consumption taken into account, the EE increases with increasing SE when SE is sufficiently small. Further, for a fixed SE we analyze the impact of varying cell size (i.e., equivalently average channel gain $G_c$) on the optimal EE. We show the interesting result that for sufficiently small $G_c$, the optimal EE decreases as $\mathcal{O}(\sqrt{G_c})$ with decreasing $G_c$. Our analysis also reveals that for sufficiently small SE (or large $G_c$), the EE is insensitive to the power amplifier efficiency.

研究动机与目标

• 分析收发机电路功耗对大规模MIMO系统中能量效率（EE）的影响，超越仅考虑功率放大器（PA）损耗的模型。
• 在包含PA和电路组件的现实功耗模型下，推导最优EE-SE权衡的闭式表达式。
• 研究小区大小（通过平均信道增益G_c表示）对固定SE下最优EE的影响。
• 量化PA消耗的总功耗比例随SE和G_c的变化，揭示PA效率设计的启示。

提出的方法

• 建模一个单用户大规模MIMO下行链路，基站（BS）配备M根天线，用户终端（UT）配备一根天线，假设信道状态信息（CSI）完美。
• 将总系统功耗表示为PA发射功耗、电路功耗（P_s, P_dec, P_BS, P_UT, P_OSC）以及与路径损耗相关的辐射功耗之和。
• 推导谱效率（SE）为R = log₂(1 + γ||h||²)，其中γ依赖于发射功率和路径损耗。
• 以基站天线数M为变量，优化EE = R / (P_total)，得到最优M和最优EE的闭式表达式。
• 应用Jensen不等式以界定遍历SE，并推导EE和PA功耗占比的解析近似。
• 采用渐近分析方法，刻画低SE和高SE场景下EE和PA功耗占比的行为特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模MIMO系统中，引入收发机电路功耗后，经典EE-SE权衡关系如何变化？
• RQ2 当同时考虑PA和电路功耗时，最优EE-SE权衡的闭式表达式是什么？
• RQ3 对于固定SE，最优EE如何随小区大小（以平均信道增益G_c表示）变化？
• RQ4 PA消耗的总系统功耗比例是多少，且该比例如何随SE和G_c变化？
• RQ5 在何种条件下EE对PA效率不敏感，这对硬件设计有何启示？

主要发现

• 当谱效率（SE）足够小时，引入收发机功耗后，能量效率（EE）随SE线性增加，这与仅考虑PA损耗的经典模型中EE单调下降的结论相矛盾。
• 对于固定SE，当平均信道增益G_c足够小时，最优EE以O(√G_c)的速率下降，表明在大范围小区中对路径损耗高度敏感。
• 在大规模MIMO场景下（高SE或小G_c），PA消耗的功耗占比趋近50%，因此必须采用高效率PA。
• 相反，当SE足够小或G_c足够大时，PA功耗占比趋近于零，因此可接受低效率（但高线性度）的PA。
• 最优基站天线数M*随G_c减小而增加，系统从单天线（非大规模）模式过渡到大规模MIMO模式。
• 数值结果表明，所提出的近似最优EE与精确最优EE高度吻合，验证了分析松弛方法的有效性。