多用戶MIMO系統(tǒng)能量效率-頻譜效率折中關(guān)系研究.pdf

1、提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率是5G無線通信技術(shù)的重要目標(biāo)。由于無線系統(tǒng)有限的頻譜資源以及用戶日益增長(zhǎng)的速率需求，頻譜效率作為一種傳統(tǒng)性能指標(biāo)早已得到廣泛研究。另一方面，無線通信系統(tǒng)日益增加的能耗使得綠色通信技術(shù)成為未來移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)。在綠色通信的研究中，比特每焦耳能量效率作為一種性能指標(biāo)能夠較好地體現(xiàn)吞吐量和功率之間的折中。然而，能量效率和頻譜效率這兩種重要性能指標(biāo)的趨勢(shì)并不總能保持一致，兩者之間往往存在折中關(guān)系。為了在無線

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中更好地平衡能效效率和頻譜效率這兩種性能指標(biāo)，需要對(duì)兩者的折中關(guān)系進(jìn)行研究。
　　本論文將聚焦下行多用戶多天線(Multi-user Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO)系統(tǒng)中的能量效率-頻譜效率折中關(guān)系研究。MU-MIMO技術(shù)不僅能夠獲得MIMO技術(shù)的分集和復(fù)用增益從而改善傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的能量效率-頻譜效率折中關(guān)系，還能夠利用空間自由度消除用戶間干擾，并獲得多用戶分集增益。一方

3、面，通過推導(dǎo)MU-MIMO系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率近似關(guān)系閉式，可以揭示MU-MIMO系統(tǒng)中提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率的理論限制，為系統(tǒng)能量效率和頻譜效率的聯(lián)合設(shè)計(jì)帶來啟示意義:另一方面，通過優(yōu)化MU-MIMO系統(tǒng)中的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)、基站發(fā)射功率和基站激活發(fā)射天集合，可以改善MU-MIMO系統(tǒng)中的能量效率-頻譜效率折中關(guān)系。本論文的主要貢獻(xiàn)包括:
　　1)基于隨機(jī)波束成型的單小區(qū)MU-MIMO系統(tǒng)中能量效率-頻譜效率近似

4、關(guān)系閉式推導(dǎo)
　　在隨機(jī)波束成型系統(tǒng)中根據(jù)次序統(tǒng)計(jì)量的漸進(jìn)理論的知識(shí)可以得到容易求反的近似容量閉式表達(dá)式，據(jù)此推導(dǎo)能量效率與頻譜效率的近似關(guān)系閉式。在得到能量效率-頻譜效率關(guān)系近似閉式的基礎(chǔ)上，利用lambert函數(shù)的性質(zhì)對(duì)隨機(jī)波束成型系統(tǒng)能量效率進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而得到了優(yōu)化的能量效率-頻譜效率折中曲線。由于隨機(jī)波束成型的系統(tǒng)容量表達(dá)式十分復(fù)雜，直接對(duì)能量效率函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化十分困難。利用本文推導(dǎo)得到的能量效率-頻譜效率關(guān)系近似閉式能夠

5、有效地得到能效優(yōu)化問題的閉式解。本文還進(jìn)一步在異質(zhì)用戶場(chǎng)景下推導(dǎo)了系統(tǒng)能量效率和單個(gè)用戶頻譜效率之間的近似關(guān)系閉式。通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的能量效率-頻譜效率近似閉式與蒙特卡洛仿真結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了本文推導(dǎo)的近似閉式的準(zhǔn)確性。
　　2)基于塊對(duì)角化(block diagonalization， BD)的單小區(qū)MU-MIMO系統(tǒng)中的能量效率優(yōu)化以及能量效率-頻譜效率折中關(guān)系研究
　　在非理想功放效率模型和每天線功率限

6、制下對(duì)基于BD預(yù)編碼的多用戶MIMO系統(tǒng)中的能量效率優(yōu)化問題進(jìn)行了研究，本文將問題建模為基站預(yù)編碼矩陣、發(fā)射功率以及激活發(fā)射天線集合的聯(lián)合優(yōu)化問題，并將能量效率優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為稀疏波束成型問題從而簡(jiǎn)化了求解，然后利用順序凸近似方法提出了一種迭代解法。進(jìn)一步地，通過求解不同頻譜效率限制下的能量效率優(yōu)化問題，對(duì)非理想功放效率模型下基于BD預(yù)編碼的MU-MIMO系統(tǒng)的能量效率-頻譜效率折中關(guān)系進(jìn)行了研究。通過仿真發(fā)現(xiàn)，非理想功放效率模型下能量效

7、率最優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻譜效率值比理想場(chǎng)景下能量效率最優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻譜效率值更高，這說明如果按照理想功放效率模型下的能量效率最優(yōu)點(diǎn)來配置系統(tǒng)參數(shù)，將會(huì)帶來系統(tǒng)性能的下降。此外，選擇合適的激活發(fā)射天線集合能夠改善能量效率-頻譜效率的折中關(guān)系。
　　3)基于協(xié)作波束成型的多小區(qū)MISO系統(tǒng)中的能量效率-頻譜效率聯(lián)合Pareto邊界研究
　　本文以多小區(qū)MISO系統(tǒng)為例，對(duì)多小區(qū)MU-MIMO系統(tǒng)中能量效率-頻譜效率折中關(guān)系進(jìn)行了研究。能量

8、效率-頻譜效率聯(lián)合帕累托邊界能夠較為全面地反映多小區(qū)MU-MIMO系統(tǒng)的極限鏈路性能，并能較好地刻畫能量效率和頻譜效率的折中關(guān)系。首先由干擾鏈路的能量效率帕累托邊界的角度出發(fā)，推導(dǎo)了能夠達(dá)到能量效率帕累托邊界的最優(yōu)協(xié)作波束成型矢量結(jié)構(gòu)，并且提出了一種能夠達(dá)到能量效率帕累托邊界的分布式協(xié)作波束成型算法。進(jìn)一步地，本文將研究能量效率-頻譜效率聯(lián)合帕累托邊界可達(dá)點(diǎn)的問題，轉(zhuǎn)化為求解多個(gè)頻譜效率限制下的能量效率帕累托邊界問題，推導(dǎo)了能夠達(dá)到能量