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无线先验对多用户多天线预编码学习计算与能耗开销的影响

丛鹏宇 韩圣千 邓鸣宇 刘胜杰 杨晨阳 沈嵩辉

丛鹏宇, 韩圣千, 邓鸣宇, 刘胜杰, 杨晨阳, 沈嵩辉. 无线先验对多用户多天线预编码学习计算与能耗开销的影响[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260388
引用本文: 丛鹏宇, 韩圣千, 邓鸣宇, 刘胜杰, 杨晨阳, 沈嵩辉. 无线先验对多用户多天线预编码学习计算与能耗开销的影响[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260388
CONG Pengyu, HAN Shengqian, DENG Mingyu, LIU Shengjie, YANG Chenyang, SHEN Songhui. Impact of Wireless Priors on the Computation and Energy Cost of MU-MIMO Precoding Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260388
Citation: CONG Pengyu, HAN Shengqian, DENG Mingyu, LIU Shengjie, YANG Chenyang, SHEN Songhui. Impact of Wireless Priors on the Computation and Energy Cost of MU-MIMO Precoding Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260388

无线先验对多用户多天线预编码学习计算与能耗开销的影响

doi: 10.11999/JEIT260388 cstr: 32379.14.JEIT260388
详细信息
    作者简介:

    丛鹏宇:男,博士生,研究方向为智能通信

    韩圣千:男,副教授,研究方向为智能通信、移动通信等

    邓鸣宇:男,博士生,研究方向为智能通信

    刘胜杰:男,博士生,研究方向为智能通信

    杨晨阳:女,教授,研究方向为智能通信、移动通信等

    沈嵩辉:男,工程师,研究方向为移动通信物理层技术

    通讯作者:

    韩圣千 sqhan@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: TN929.5, TP181

Impact of Wireless Priors on the Computation and Energy Cost of MU-MIMO Precoding Learning

  • 摘要: 随着移动通信系统中天线阵列规模的持续增大,多用户多输入多输出(MU-MIMO)预编码在显著提高系统性能的同时,也带来了高计算复杂度与高能耗等挑战。该文针对MU-MIMO预编码策略学习问题,研究在神经网络结构设计中引入无线策略数学先验(简称“无线先验”)知识对深度学习计算和能耗的影响。为此,首先分析MU-MIMO预编码策略的多维联合置换等变性和不变性,在此基础上构建一种注意力图神经网络(AGNN);然后,基于3GPP标准信道数据集开展仿真与硬件实测,对AGNN与传统数值算法和Transformer模型进行比较。研究结果表明,AGNN在频谱效率、计算复杂度和推理能耗方面均优于仅满足一维置换等变性的Transformer模型,表明充分利用无线先验对高效学习的重要影响。同时,随着天线规模与带宽的扩大,传统数值算法的计算复杂度和能耗增长速度明显高于性能增益;而AGNN能够在提高系统性能的同时,显著降低推理时间与推理能耗,表明融入无线先验的学习方法是未来6G预编码优化的有效技术路径。
  • 图  1  大规模MU-MIMO场景下的总计算能耗

    表  1  测试平台硬件设置

    硬件组件 型号名称 × 数量 存储容量(GB) TGP或TDP(W) 闲置功耗(W)
    GPU NVIDIA GeForce RTX 4090 D GPU×1 24 (显存) 425 6.76
    CPU Intel Xeon Gold 5515+ CPU×1 - 165 34.11
    DRAM Samsung DDR5 R-ECC 32 GB 内存×2
    SK Hynix DDR5 R-ECC 32 GB 内存×2
    128 30.5 5.31
    注:全文各表中“-”表示该指标不适用。
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    表  2  GPU, CPU和DRAM能耗测试流程

     (1) 测试准备阶段
     正式测量前终止所有非必需后台进程,独立启动两个命令行终端,分别运行NVSMI和Intel PCM,采样间隔100 ms并保持连续采样。工具
     开启后,服务器空闲运行10 min,使各硬件组件进入稳定的空闲水平(GPU和CPU均进入深度休眠)。此阶段数据不参与后续能耗计算。
     (2) 测量服务器闲置功耗
     服务器继续保持空闲状态运行10 min。该阶段内由NVSMI与Intel PCM采集的数据用于计算GPU, CPU和DRAM 的闲置功耗,计算结果
     为10 min内平均值。
     (3) 测量算法运行的能耗与功耗
     启动PyCharm等待加载完毕,运行目标程序。为确保测量期间CPU和GPU稳定,先对所有样本执行一轮预热推理(数据不参与最终统
     计)。程序记录算法起止时间戳,以划定功耗/能耗采样数据的统计区间。不同类型算法的测量方式如下:
     (a)传统数值算法:先把所有测试数据加载至DRAM,再记录预编码计算过程的起止时间戳。
     (b)AI算法:先把数据加载至DRAM并构建网络模型;若在GPU上进行计算,则需再把数据和模型参数从DRAM迁移至显存。之后记录时
     间戳,具体方式如下:
      训练阶段:记录模型整个训练周期的起止时间戳;
      推理阶段:测试样本需逐个输入网络,记录完成所有测试样本推理的起止时间戳。
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    1  计算第$ k $个用户的子带等效信道

     输入:第$ k $个用户在子带内$ C $个子载波上的信道矩阵$ {\mathbf{H}}_{k,c} $。
     输出:第$ k $个用户的子带等效信道$ {\widetilde{\mathbf{H}}}_{k} $。
     1. 计算子带信道相关矩阵
     $ {\mathbf{R}}_{k}=1/C\displaystyle\sum \nolimits_{c=1}^{C}\mathbf{H}_{k,c}^{\text{H}}{\mathbf{H}}_{k,c}\in {\mathbb{C}}^{{{N}_{\text{T}}}\times {{N}_{\text{T}}}} $;
     2. 对$ {\mathbf{R}}_{k} $进行特征分解$ {\mathbf{R}}_{k}={\mathbf{U}}_{k}{\mathbf{\Sigma }}_{k}\mathbf{U}_{k}^{\text{H}} $,得到特征值和特征
     向量;
     3. 从$ {\boldsymbol{\varSigma }}_{k} $中选取最大的$ {N}_{\text{R}} $个特征值$ {\sigma }_{i} $及对应的特征向量;
     4. 计算等效信道矩阵$ {\widetilde{\mathbf{H}}}_{k}={\left[\begin{array}{ccc}\sqrt{{\sigma }_{1}}{\mathbf{u}}_{1} & \cdots & \sqrt{{\sigma }_{{{N}_{\text{R}}}}}{\mathbf{u}}_{{{N}_{\text{R}}}}\end{array}\right]}^{\text{H}} $
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    表  3  不同场景下各神经网络的超参数

    系统配置 $ N=32,带宽51\mathrm{\ RB} $ $ N=128,带宽273\ \mathrm{RB} $
    MIMO技术 MU-MISO MU-MIMO MU-MIMO
    学习算法 Transformer适配1/2 AGNN MDGNN AGNN AGNN
    网络规模 2*[2560] 5*[32] 5*[32] 4*[32] 6*[16]
    批大小 256 256 256 64 64
    学习率 0.0001 0.0001 0.0001 0.001 0.001
    注1:网络规模m*[n]表示隐藏层数为m,隐藏表示数为n
    注2:表中各模型超参数均基于不同场景下的实际训练收敛性能调优确定。
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    表  4  小规模MU-MISO场景下的频谱效率、训练和推理复杂度比较

    预编码算法ZFBD+GreedyTransformer适配1Transformer适配2AGNNMDGNN
    频谱效率(bps/Hz)24.617.018.225.817.6
    推理FLOPs6.7×1087.5×1095.6×1091.3×1072.6×106
    CPU推理时间 (ms)32021.314.54.022.61
    GPU推理时间 (ms)-2.072.455.223.94
    训练时间 (s)-2 7151 186970839
    模型参数量-1.1×1087.0×1072.5×1041.5×104
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    表  5  小规模MU-MISO场景下训练与推理阶段的能耗与功耗比较

    预编码
    算法
    硬件
    组件
    训练阶段 推理阶段(CPU) 推理阶段(GPU)
    能耗 (J) 功耗 (W) 能耗 (mJ) 功耗 (W) 能耗 (mJ) 功耗 (W)
    ZFBD+
    Greedy
    CPU - - 1.2×104 36.4 - -
    DRAM - - 1,750 5.46 - -
    合计 - - 1.3×104 41.9 - -
    Transformer适配1 GPU 9.1×105 334 - - 537 259
    CPU 1.2×105 44.5 2,715 127 151 73.1
    DRAM 1.6×104 5.93 222 10.4 11.8 5.71
    合计 1.0×106 384 2,937 138 700 338
    Transformer适配2 GPU 4.0×105 333 - - 520 212
    CPU 5.5×104 46.8 1,830 126 186 75.7
    DRAM 6,975 5.88 141 9.79 14.3 5.84
    合计 4.6×105 386 1,972 136 719 294
    MDGNN GPU 4.4×104 51.9 - - 83.2 21.1
    CPU 6.0×104 71.9 233 89.4 271.4 68.8
    DRAM 4,920 5.86 14.6 5.60 22.2 5.63
    合计 1.1×105 130 247.8 95.0 377 95.6
    AGNN GPU 1.1×105 109 - - 130 24.8
    CPU 7.0×104 72.1 373 92.9 345 66.0
    DRAM 5,618 5.79 22.2 5.53 29.0 5.56
    合计 1.8×105 187 395 98.4 503 96.4
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    表  6  MU-MIMO场景下的频谱效率、训练和推理复杂度比较

    系统规模 $ N=32,带宽51\mathrm{\ RB} $ $ N=128,带宽273\mathrm{\ RB} $
    预编码算法 ZFBD+Greedy ZFBD+Greedy AGNN
    频谱效率 (bit/(s·Hz)) 53.9 118 124
    和速率 (Gbps) 1.08 11.8 12.4
    推理FLOPs 9.9×107 7.9×109 1.9×108
    CPU推理时间 (ms) 444 9,431 124
    GPU推理时间 (ms) - - 15.1
    训练时间 (s) - - 3,331
    模型参数量 - - 1.1×104
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    表  7  MU-MIMO场景下训练与推理阶段的能耗与功耗比较

    预编码
    算法
    硬件
    组件
    训练阶段 推理阶段(CPU) 推理阶段(GPU)
    能耗 (J) 功耗 (W) 能耗 (mJ) 功耗 (W) 能耗 (mJ) 功耗 (W)
    小规模ZFBD+Greedy CPU - - 2.2×104 49.9 - -
    DRAM - - 2,408 5.43 - -
    合计 - - 2.5×104 55.4 - -
    大规模ZFBD+Greedy CPU - - 8.9×105 94.9 - -
    DRAM - - 5.3×104 5.64 - -
    合计 - - 9.5×105 101 - -
    大规模
    AGNN
    GPU 9.0×105 271 - - 3,795 251
    CPU 2.3×105 68.8 1.5×104 117 1,060 70.2
    DRAM 2.1×104 6.22 1,871 15.1 95.8 6.35
    合计 1.2×106 346 1.6×104 132 4,950 328
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    表  8  大规模场景下各算法相对于小规模场景ZFBD+Greedy的对比

    预编码算法ZFBD+GreedyAGNN
    和速率10.9倍11.5倍
    推理FLOPs79.0倍1.89倍
    推理时间21.3倍0.03倍
    推理能耗38.6倍0.20倍
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    表  9  非理想信道下MU-MIMO场景的频谱效率、训练和推理复杂度比较

    系统规模 $ N=32,带宽51\mathrm{\ RB} $ $ N=128,带宽273\mathrm{\ RB} $
    预编码算法 ZFBD+Greedy ZFBD+Greedy AGNN
    频谱效率 (bit/(s·Hz)) 44.6 81.6 90.9
    和速率 (Gbit/(s·Hz)) 0.892 8.16 9.09
    推理FLOPs 9.9×107 7.9×109 2.8×108
    CPU推理时间 (ms) 444 9,431 260
    GPU推理时间 (ms) - - 15.1
    训练时间 (s) - - 31.75
    模型参数量 - - 3.6×105
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    表  10  非理想信道下MU-MIMO场景训练与推理阶段的能耗与功耗比较

    预编码
    算法
    硬件
    组件
    训练阶段 推理阶段(CPU) 推理阶段(GPU)
    能耗 (J) 功耗 (W) 能耗 (mJ) 功耗 (W) 能耗 (mJ) 功耗 (W)
    小规模ZFBD+Greedy CPU - - 2.2×104 49.9 - -
    DRAM - - 2 408 5.43 - -
    合计 - - 2.5×104 55.4 - -
    大规模ZFBD+Greedy CPU - - 8.9×105 94.9 - -
    DRAM - - 5.3×104 5.64 - -
    合计 - - 9.5×105 101 - -
    大规模
    AGNN
    GPU 6.0×105 264 - - 7 625 240
    CPU 2.0×105 66.8 3.0×104 113 2 125 68.4
    DRAM 1.5×104 6.48 4120 16.1 215.5 6.79
    合计 1.2×106 338 3.4×104 129 9 966 315
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    表  11  非理想信道下大规模场景各算法相对于小规模场景ZFBD+Greedy的对比

    预编码算法ZFBD+GreedyAGNN
    和速率9.1倍10.2倍
    推理FLOPs79.0倍2.83倍
    推理时间21.3倍0.03倍
    推理能耗38.6倍0.40倍
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-04-01
  • 修回日期:  2026-07-15
  • 录用日期:  2026-07-15
  • 网络出版日期:  2026-07-25

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