大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中能量效率的研究.pdf

1、自移動(dòng)通信技術(shù)被提出以來，其發(fā)展十分迅速。一方面，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，提供的用戶體驗(yàn)也越來越好；然而另一方面，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展也使能源消耗和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，對此，研究人員提出了綠色通信的概念。
　　大規(guī)模MIMO技術(shù)是5G中提出的一項(xiàng)新技術(shù)，它通過在系統(tǒng)中配備幾十根甚至上百根的天線陣列，不僅能在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下顯著提高信道容量，而且還能提高能量效率。研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量效率問題，有利于促進(jìn)

2、網(wǎng)絡(luò)能耗問題的解決，實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的綠色化。
　　大規(guī)模MIMO技術(shù)在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)也帶來了一些問題。例如，使用數(shù)目眾多的天線將產(chǎn)生不可忽略的電路能量消耗，也會(huì)大幅度增加系統(tǒng)的硬件和計(jì)算復(fù)雜度。因此，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中使用適當(dāng)數(shù)目的天線來降低復(fù)雜度是一個(gè)非常值得研究的課題。另外，傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)頻譜效率的最大化，但是能量效率與頻譜效率這兩個(gè)性能指標(biāo)的變化趨勢并不總是一致的，兩者之間往往存在著折中關(guān)系。為了在無

3、線通信系統(tǒng)中更好地平衡這兩個(gè)性能指標(biāo)，需要對能量效率與頻譜效率的折中關(guān)系進(jìn)行分析。
　　本論文對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量效率問題展開研究，主要內(nèi)容如下：
　　本文針對發(fā)送端和接收端總功率受限的情況，研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中最優(yōu)天線數(shù)目的優(yōu)化選擇問題。分別分析了發(fā)送天線選擇和收發(fā)聯(lián)合天線選擇這兩種情況下最優(yōu)天線數(shù)目的確定問題。推導(dǎo)出了最優(yōu)發(fā)送天線數(shù)目的上下限，并利用此上下限代入基于導(dǎo)數(shù)的二分搜索算法中確定發(fā)送天線選擇情況下的

4、最優(yōu)發(fā)送天線數(shù)目。進(jìn)一步，推導(dǎo)出了發(fā)送接收天線數(shù)目相等時(shí)的新遍歷容量下限公式，并利用此公式確定收發(fā)聯(lián)合天線選擇情況下的最優(yōu)天線數(shù)目。仿真結(jié)果表明，在這兩種情況下都可以以微小的容量損失作為代價(jià)實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度天線選擇。
　　本文針對采用二維均勻平面網(wǎng)格天線陣列的單用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究了能量效率與頻譜效率的折中問題，使用柯布道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)將能量效率與頻譜效率的多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問題，將得到的折中矢量效用函數(shù)作為系統(tǒng)的