基于能量效率的自適應多天線傳輸技術研究.pdf

1、隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，新興業(yè)務和移動應用的爆炸性增長，移動用戶對傳輸速率提出了更高的要求。多天線系統(tǒng)通過在收發(fā)端配置多根天線，利用復用/分集增益提高系統(tǒng)的頻譜效率和傳輸可靠性，已經(jīng)成為了未來移動通信系統(tǒng)的一項基本技術。傳統(tǒng)多天線技術主要關注頻譜效率，從信息論的角度探尋最大可達容量。與此同時，無線通信系統(tǒng)的高能耗成為了一個嚴重的問題，提高多天線系統(tǒng)的能量效率，對無線通信系統(tǒng)的綠色化有著重要的實用價值和意義。從頻譜效率的角度，采用更大的

2、發(fā)送功率、更多的發(fā)送天線和更高的帶寬可以獲得系統(tǒng)容量的提升。但從能量效率的角度，由于發(fā)送功率之外的功放線路功率、信號處理功率、饋線損耗等其它部分功率的存在，使得采用更大的發(fā)送功率、更多的發(fā)送天線和更高的帶寬并不總是可以提高系統(tǒng)的能量效率，甚至會帶來能量效率的惡化。因此，如何在保證頻譜效率的同時提高多天線系統(tǒng)的能量效率是一個亟待解決的問題。本文關注下行多天線系統(tǒng)，對下行多入多出(MIMO)技術三種可能的應用方式：單用戶MIMO、多用戶MI

3、MO和多小區(qū)MISO的能量效率問題進行了系統(tǒng)的研究，提出基于能量效率的自適應傳輸技術，在保證頻譜效率的基礎上提高能量效率。
　　 首先，本文針對基于臟紙編碼的下行多用戶MIMO廣播信道能效優(yōu)化問題，提出了聯(lián)合發(fā)送協(xié)方差矩陣優(yōu)化和激活發(fā)送天線選擇的能效優(yōu)化基本框架，得到MIMO廣播信道的能量效率理論上界，為能效優(yōu)化的多用戶MIMO傳輸指明了方向。在固定激活發(fā)送天線集合的情況下，利用MIMO廣播信道和多址接入信道的對偶性，將MIMO

4、廣播信道的能效優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸分數(shù)優(yōu)化問題，提出一種能效優(yōu)化的迭代功率注水算法，并證明其收斂于全局最優(yōu)點；在此基礎上，提出激活發(fā)送天線選擇來選取能量效率最優(yōu)的激活發(fā)送天線集合，通過關閉非激活天線集合對應的功率放大器節(jié)省線路功率。
　　 接下來，本文針對采用實用低復雜度的線性預編碼技術、具有非完善發(fā)送端信道狀態(tài)信息(CSIT)等實際約束的多用戶MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化問題，提出多模傳輸技術來優(yōu)化系統(tǒng)能量效率。由于非完善CSIT的存在

5、將導致多用戶干擾，多個用戶復用以后，存在復用增益與多用戶干擾之間的折中，因此考慮了兩種傳輸策略——基于奇異值分解的單用戶MIMO和基于塊對角化的多用戶MIMO。通過綜合考慮發(fā)送功率、系統(tǒng)帶寬、發(fā)送天線、接收天線/用戶、傳輸策略等參數(shù)對能量效率的影響，針對以下兩種場景，提出聯(lián)合發(fā)送功率/帶寬優(yōu)化和模式選擇的策略，提高多用戶MIMO系統(tǒng)能量效率，具有很好的實用價值。
　　 1)針對發(fā)送天線數(shù)目大于等于所有用戶接收天線數(shù)目的場景，將模

6、式定義為以下參數(shù)——傳輸策略、發(fā)送天線數(shù)目、接收天線數(shù)目和用戶數(shù)目，進而提出基于各態(tài)歷經(jīng)容量的模式切換策略來提高能效。在固定的模式下，針對單用戶MIMO和多用戶MIMO，分別給出基于能效的發(fā)送功率/帶寬聯(lián)合優(yōu)化方案，并提出一種對抗不完善CSIT的信道容量預測方法來幫助上述優(yōu)化；在此基礎上，進一步基于各態(tài)歷經(jīng)容量給出能效優(yōu)化模式選擇算法，為不同場景下最優(yōu)能量效率對應的模式提供了指導意義。
　　 2)針對發(fā)送天線數(shù)目小于所有用戶接收

7、天線數(shù)目的場景，將模式定義為以下參數(shù)——傳輸策略、激活發(fā)送天線集合、激活接收天線集合和激活用戶集合，進而提出基于聯(lián)合收發(fā)天線選擇的模式切換策略來提高能效。在固定的模式下，把上述場景一的發(fā)送功率/帶寬聯(lián)合優(yōu)化方案擴展到了基站總發(fā)送功率受限的情況；在此基礎上，提出一種低復雜度的能效優(yōu)化聯(lián)合收發(fā)天線選擇算法，并通過仿真結果驗證，發(fā)現(xiàn)該算法可以獲得與最優(yōu)遍歷搜索近似的性能；進一步將算法應用于非實時業(yè)務場景下，通過利用延時一能耗折中關系，降低系統(tǒng)

8、的能耗。
　　 最后，本文針對多小區(qū)MISO系統(tǒng)的能量效率問題，定義新的多小區(qū)能效度量準則，提出不同協(xié)作等級的傳輸策略和一種新的協(xié)同靜默技術，在保證用戶服務質(zhì)量的同時提高多小區(qū)MISO系統(tǒng)的能量效率。通過利用網(wǎng)絡能量效率作為多小區(qū)能效度量準則，提出了采用線性預編碼方式下，三種基于不同協(xié)作等級的傳輸策略，并根據(jù)不同協(xié)作等級分別得到基于能效的功率分配方案，在保證頻譜效率的情況下最大化網(wǎng)絡能量效率。在此基礎上，創(chuàng)新性的提出了協(xié)同靜默技