大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中能量效率的研究.pdf

1、自移動通信技術被提出以來，其發(fā)展十分迅速。一方面，移動通信網絡的數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，提供的用戶體驗也越來越好；然而另一方面，移動通信網絡的迅猛發(fā)展也使能源消耗和環(huán)境污染問題日益嚴重，對此，研究人員提出了綠色通信的概念。
　　大規(guī)模MIMO技術是5G中提出的一項新技術，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

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

3、線通信系統(tǒng)中更好地平衡這兩個性能指標，需要對能量效率與頻譜效率的折中關系進行分析。
　　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。進一步，推導出了發(fā)送接收天線數(shù)目相等時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實現(xiàn)低復雜度天線選擇。
　　本文針對采用二維均勻平面網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函數(shù)將能量效率與頻譜效率的多目標優(yōu)化問題轉換為單目標優(yōu)化問題，將得到的折中矢量效用函數(shù)作為系統(tǒng)的