多用戶MIMO系統(tǒng)能量效率-頻譜效率折中關系研究.pdf

1、提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率是5G無線通信技術的重要目標。由于無線系統(tǒng)有限的頻譜資源以及用戶日益增長的速率需求，頻譜效率作為一種傳統(tǒng)性能指標早已得到廣泛研究。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成為未來移動通信的發(fā)展趨勢。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的趨勢并不總能保持一致，兩者之間往往存在折中關系。為了在無線

2、系統(tǒng)設計中更好地平衡能效效率和頻譜效率這兩種性能指標，需要對兩者的折中關系進行研究。
　　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-頻譜效率折中關系研究。MU-MIMO技術不僅能夠獲得MIMO技術的分集和復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MU-MIMO系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率近似關系閉式，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)合設計帶來啟示意義:另一方面，通過優(yōu)化MU-MIMO系統(tǒng)中的預編碼矩陣設計、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-頻譜效率折中關系。本論文的主要貢獻包括:
　　1)基于隨機波束成型的單小區(qū)MU-MIMO系統(tǒng)中能量效率-頻譜效率近似

4、關系閉式推導
　　在隨機波束成型系統(tǒng)中根據(jù)次序統(tǒng)計量的漸進理論的知識可以得到容易求反的近似容量閉式表達式，據(jù)此推導能量效率與頻譜效率的近似關系閉式。在得到能量效率-頻譜效率關系近似閉式的基礎上，利用lambert函數(shù)的性質對隨機波束成型系統(tǒng)能量效率進行了優(yōu)化，進而得到了優(yōu)化的能量效率-頻譜效率折中曲線。由于隨機波束成型的系統(tǒng)容量表達式十分復雜，直接對能量效率函數(shù)進行優(yōu)化十分困難。利用本文推導得到的能量效率-頻譜效率關系近似閉式能夠

5、有效地得到能效優(yōu)化問題的閉式解。本文還進一步在異質用戶場景下推導了系統(tǒng)能量效率和單個用戶頻譜效率之間的近似關系閉式。通過仿真結果可以發(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果非常吻合，驗證了本文推導的近似閉式的準確性。
　　2)基于塊對角化(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-頻譜效率折中關系研究
　　在非理想功放效率模型和每天線功率限

6、制下對基于BD預編碼的多用戶MIMO系統(tǒng)中的能量效率優(yōu)化問題進行了研究，本文將問題建模為基站預編碼矩陣、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)化問題轉化為稀疏波束成型問題從而簡化了求解，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，對非理想功放效率模型下基于BD預編碼的MU-MIMO系統(tǒng)的能量效率-頻譜效率折中關系進行了研究。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)點對應的頻譜效率值比理想場景下能量效率最優(yōu)點對應的頻譜效率值更高，這說明如果按照理想功放效率模型下的能量效率最優(yōu)點來配置系統(tǒng)參數(shù)，將會帶來系統(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，對多小區(qū)MU-MIMO系統(tǒng)中能量效率-頻譜效率折中關系進行了研究。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)，推導了能夠達到能量效率帕累托邊界的最優(yōu)協(xié)作波束成型矢量結構，并且提出了一種能夠達到能量效率帕累托邊界的分布式協(xié)作波束成型算法。進一步地，本文將研究能量效率-頻譜效率聯(lián)合帕累托邊界可達點的問題，轉化為求解多個頻譜效率限制下的能量效率帕累托邊界問題，推導了能夠達到能量