分布式天線移動通信系統(tǒng)的能效關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、頻譜效率(SE，Spectral Efficiency)和能量效率(EE，Energy Efficiency)是無線通信系統(tǒng)中兩個重要的性能度量。由于無線網(wǎng)絡(luò)中多媒體設(shè)備的應(yīng)用，系統(tǒng)對頻譜效率的需求越來越高。在過去幾十年中，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界出現(xiàn)了大量的工作來提高容量和頻譜效率。最近幾年由于能量消耗的持續(xù)增加和環(huán)境的日益惡化，能量效率變得越來越重要。分布式天線（DAS，DistributedAntennaSystem）由于在提高系統(tǒng)容量、增

2、強通信鏈路的穩(wěn)定性和擴大覆蓋范圍方面有著極大的優(yōu)勢而受到越來越多的關(guān)注，成為下一代無線通信系統(tǒng)中具有競爭力的一項技術(shù)。因此在分布式天線系統(tǒng)中研究在滿足給定頻譜效率需求的同時如何提高能量效率具有重要的使用價值和意義。
　　論文以國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目(2012CB316000)“能效與資源優(yōu)化的超蜂窩移動通信系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”為背景，重點研究了分布式天線的能量效率。全文的主要工作如下:
　　1)第二章討論了下行鏈路中單

3、用戶單小區(qū)集中式天線與分布式天線的能量效率。本章考慮的信道衰落模型采用復(fù)合衰落信道模型，即包括大尺度衰落和小尺度衰落，同時系統(tǒng)總的消耗功率考慮實際模型，不僅包括發(fā)射端消耗功率，還包括芯片消耗功率和光纖消耗的功率。根據(jù)收發(fā)端天線配置的不同，在復(fù)合衰落信道下，推導(dǎo)了單用戶單小區(qū)分布式天線和集中式天線的能量效率近似表達(dá)式。仿真結(jié)果表明當(dāng)考慮實際情況時，分布式天線的能量效率要優(yōu)于集中式天線。
　　2)第三章研究了分布式天線在廣播信道（BC

4、，Broadcast Channel）下能量效率的優(yōu)化。本章考慮的信道衰落模型和功率消耗模型和第二章一樣?？紤]到DAS-BC的能量效率優(yōu)化問題是一個非凸函數(shù)，首先運用多輸入多輸出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)廣播信道和MIMO多址接入信道（MAC，MultiAccess Channel）的對偶性，將非凸的DAS-BC能量效率優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸的DAS-MAC能量效率優(yōu)化問題，然后應(yīng)用分式規(guī)劃將含

5、有分式的能量效率優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為含有減號的非分式能量效率優(yōu)化問題，提出了一種求解能量效率最優(yōu)的發(fā)送協(xié)方差矩陣算法。仿真結(jié)果表明分布式天線的頻譜效率和能量效率性能都優(yōu)于集中式天線。
　　3)第四章第一部分研究了分布式天線系統(tǒng)中三種不同的功率分配設(shè)計準(zhǔn)則。他們分別是最大化系統(tǒng)的吞吐量，最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率和最大化系統(tǒng)的能量效率。首先在假設(shè)信道正交的情況下，在滿足用戶相同服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality ofService)的限制下，比較

6、這三種不同的設(shè)計準(zhǔn)則性能。采用次梯度方法求出最大化系統(tǒng)的吞吐量和最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率的優(yōu)化問題。采用分式規(guī)劃和次梯度方法求出最大化系統(tǒng)的能量效率優(yōu)化問題?；谶@三種設(shè)計準(zhǔn)則，在多用戶分布式天線下行鏈路中分別提出了相應(yīng)的功率分配算法。仿真結(jié)果表明可以應(yīng)用前面兩個設(shè)計準(zhǔn)則來使得系統(tǒng)具有最大的吞吐量和最節(jié)省能量，而應(yīng)用第三個準(zhǔn)則可以得到吞吐量和消耗能量之間的折衷。
　　4)第四章第二部分研究了在信道非正交的情況下分布式天線系統(tǒng)中三種不同

7、的功率分配設(shè)計準(zhǔn)則。他們分別是最大化系統(tǒng)的吞吐量，最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率和最大化系統(tǒng)的能量效率。前面兩種設(shè)計準(zhǔn)則優(yōu)化問題是符號規(guī)劃（SP，Signomial Programming）問題，是非凸非線性的優(yōu)化問題，因此不能直接得到其閉式解。應(yīng)用幾何均值的性質(zhì)，將符號規(guī)劃轉(zhuǎn)化為幾何規(guī)劃（GP，Geometric Programming）來求解最優(yōu)值。對于第三種設(shè)計準(zhǔn)則，首先應(yīng)用分式規(guī)劃原理將分式優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為等價的含有減號的非分式優(yōu)化問題，此

8、時的優(yōu)化問題是符號規(guī)劃問題，可以轉(zhuǎn)化為幾何規(guī)劃求出最優(yōu)解。基于這三種設(shè)計準(zhǔn)則，在多用戶分布式天線下行鏈路中分別提出了相應(yīng)的功率分配算法。仿真結(jié)果表明可以應(yīng)用前面兩個設(shè)計準(zhǔn)則來使得系統(tǒng)具有最大的吞吐量和最節(jié)省能量，而應(yīng)用第三個準(zhǔn)則可以得到吞吐量和消耗能量之間的折衷。
　　5)第五章研究了能量有效的OFDM-DAS資源分配方法。在滿足遠(yuǎn)端接入單元(RAU，RemoteAccess Unit)總的功率限制、用戶之間吞吐量滿足比例公平以及

9、滿足一定誤碼率（BER，Bit Error Rate）的限制條件下，最大化系統(tǒng)的能量效率。因為這個優(yōu)化問題是一個非凸非線性的組合優(yōu)化問題，不能直接得到最優(yōu)解。因此通過先分配子載波后分配功率的思路提出一種低復(fù)雜度次優(yōu)算法。算法思路是首先在等功率的假設(shè)下先分配子載波，然后應(yīng)用分式規(guī)劃性質(zhì)將分式優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為等價的含有減號的非分式優(yōu)化問題，最后應(yīng)用次梯度方法求出能量有效的OFDM(Orthogonal Frequency Division M