[论文解读] On the Energy-Spectral Efficiency Trade-off of the MRC Receiver in Massive MIMO Systems with Transceiver Power Consumption

Sudarshan Mukherjee, Saif Khan Mohammed|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 8被引用 9

一句话总结

本文研究了在考虑收发信机电路功耗的情况下，使用最大比合并（MRC）接收机的大规模MIMO系统中的能量-频谱效率权衡。结果表明，当频谱效率R增大时，通过自适应增加基站导频数（M）和用户数（K），能量效率会收敛到一个正的常数，而固定（M,K）配置下的能量效率则趋于零。

ABSTRACT

We consider the uplink of a multiuser massive MIMO system wherein a base station (BS) having $M$ antennas communicates coherently with $K$ single antenna user terminals (UTs). We study the energy efficiency of this system while taking the transceiver power consumption at the UTs and the BS into consideration. For a given spectral efficiency $R$ and fixed transceiver power consumption parameters, we propose and analyze the problem of maximizing the energy efficiency as a function of $(M,K)$. For the maximum ratio combining (MRC) detector at the BS we show that with increasing $R$, $(M,K)$ can be adaptively increased in such a way that the energy efficiency converges to a positive constant as $R ightarrow \infty$ ($(M,K)$ is increased in such a way that a constant per-user spectral efficiency $R/K$ is maintained). This is in contrast to the fixed $(M,K)$ scenario where the energy efficiency is known to converge to zero as $R ightarrow \infty$. We also observe that for large $R$, the optimal $(M,K)$ maximizing the energy efficiency is such that, the total power consumed by the power amplifiers (PA) in all the $K$ UTs is a small fraction of the total system power consumption.

研究动机与目标

• 分析在基站和用户终端均考虑收发信机电路功耗的情况下，采用MRC合并的大规模MIMO系统的能量效率。
• 研究当M和K自适应增加时，能量效率随频谱效率R增加的扩展规律。
• 在现实的功耗模型下，比较MRC与ZF接收机的最优能量效率。
• 确定在给定频谱效率R和固定功耗参数下，使能量效率最大化的最优（M,K）配对。

提出的方法

• 构建了上行链路大规模MIMO系统模型，包含M根天线的基站和K个单天线用户，考虑功率放大器（PA）、接收机及收发信机电路功耗。
• 推导出包括基站和用户终端的PA、接收机及电路功耗在内的总系统功耗的闭式表达式。
• 提出一个以（M,K）为变量、在固定频谱效率R下最大化能量效率（比特/焦耳）的优化问题。
• 分析当R→∞时最优能量效率的渐近行为，表明当M和K按比例增加以保持每用户频谱效率R/K恒定时，能量效率收敛到一个正的常数。
• 利用渐近近似和数值仿真验证分析结果，特别是在大R区域。
• 通过在相同系统参数和假设下评估其最优能量效率，比较MRC与ZF接收机的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MRC基大规模MIMO系统中，当M和K自适应增加时，若考虑收发信机功耗，能量效率是否可在频谱效率R→∞时维持在一个正的常数？
• RQ2 最优（M,K）对如何随R增加而变化？在大R区域下，能量效率的行为如何？
• RQ3 在考虑收发信机功耗时，MRC接收机的最优能量效率与ZF接收机相比如何？
• RQ4 在大R条件下，最优（M,K）下用户终端功率放大器消耗的总功率占系统总功耗的比例是多少？
• RQ5 最优能量效率对收发信机功耗参数变化的敏感性如何？

主要发现

• 对于MRC接收机，当M和K按比例增加以保持每用户频谱效率R/K恒定时，能量效率在R→∞时收敛到一个正的常数，而固定（M,K）配置下的能量效率则趋于零。
• 在大R条件下，MRC接收机的最优能量效率严格低于ZF接收机，证实了在相同条件下ZF能实现更高的能量效率。
• 在大R条件下，所有K个用户终端中功率放大器消耗的总功率仅占系统总功耗的一小部分，表明能量效率主要受基站和用户终端电路功耗的限制。
• 最优（M,K）对随R增加而增大，且当M和K均足够大时，最优能量效率的近似结果变得非常紧密。
• 最优能量效率随收发信机功耗参数（ρr, ρd, ρs）的增加而降低，表明其对硬件功耗配置敏感。
• 数值结果验证了在大R条件下，最优能量效率的分析近似非常紧密，支持了渐近分析的有效性。