大規(guī)模多天線系統(tǒng)的能量效率研究.pdf

1、由于高性能終端處理器和便攜式操作系統(tǒng)等方面的技術(shù)突破，智能終端已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種場(chǎng)合并徹底改變了人們的生活方式。目前，餐飲、旅游以及第三方支付等服務(wù)逐漸網(wǎng)絡(luò)化信息化，市場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，帶來(lái)了巨大的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。然而，當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)漸漸的無(wú)法滿足用戶日益增長(zhǎng)的通信需求。因此，第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)在巨大市場(chǎng)需求的推動(dòng)下吸引了眾多研究者的興趣。
　　目前，對(duì)5G關(guān)鍵技術(shù)的研究日趨白熱化，但5G最終將采用何種技術(shù)仍然沒有定論。

2、在備選的5G關(guān)鍵技術(shù)中，大規(guī)模多天線技術(shù)(massive MIMO)以其高頻譜效率和高能量效率等優(yōu)勢(shì)獲得了眾多研究者和運(yùn)營(yíng)商的青睞，并終將成為5G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。首先，大規(guī)模天線陣列可以將能量集中在更窄的波束上，從而提高了頻譜效率和能量效率。其次，由于用戶信道間的漸近正交性，簡(jiǎn)單的線性處理就可以有效地降低噪聲和用戶間干擾。換句話說(shuō)，大規(guī)模多天線陣列降低了預(yù)編碼和解碼的計(jì)算復(fù)雜度。另外，信道的快衰落被大規(guī)模天線陣列的信道硬化功能給平

3、均掉了。
　　然而，單純依賴大規(guī)模多天線這一種技術(shù)是無(wú)法滿足5G網(wǎng)絡(luò)極高的性能要求。因此，眾多的研究者將大規(guī)模多天線與small cells、雙工和D2D等其它5G技術(shù)結(jié)合在一起，進(jìn)而通過(guò)發(fā)揮各種技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，來(lái)滿足5G網(wǎng)絡(luò)的高性能需求。在此背景下，本論文圍繞大規(guī)模多天線系統(tǒng)的能量效率進(jìn)行了分析和研究，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
　　首先，分析并優(yōu)化了全雙工massive MIMO系統(tǒng)的能量效率。在給定上下行傳輸功

4、率的條件下，推導(dǎo)出了可以最大化能量效率的最優(yōu)天線數(shù)目的閉合表達(dá)式。隨著用戶數(shù)目的增加，最優(yōu)的天線數(shù)目和最大化的能量效率都會(huì)隨之增大。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量效率，提出了一種低復(fù)雜度迭代算法聯(lián)合優(yōu)化了天線數(shù)目以及上、下行傳輸功率。仿真結(jié)果表明所提的算法與窮舉搜索的系統(tǒng)性能幾乎一致。
　　其次，研究了與D2D鏈路共存的massive MIMO上行系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。推導(dǎo)出了蜂窩用戶和D2D用戶的中斷概率以及可達(dá)速率的分析表達(dá)式，

5、并分析了天線數(shù)目以及massive MIMO蜂窩用戶發(fā)射功率對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D鏈路性能的影響。最后，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化massive MIMO蜂窩用戶的發(fā)射功率以及基站的天線數(shù)目，在滿足massive MIMO蜂窩用戶以及D2D用戶的頻譜效率約束的前提下最大化了系統(tǒng)的能量效率，并提出了此優(yōu)化問(wèn)題的解決方法。
　　再次，提出了一種massive MIMO下行鏈路中基于功率分割的攜能通信方案。在massive MIMO下行鏈路中，基站向節(jié)點(diǎn)

6、廣播無(wú)線射頻信號(hào)，而節(jié)點(diǎn)將接收到的射頻信號(hào)一部分用于信息解調(diào)，另一部分作為能量存儲(chǔ)起來(lái)用于彌補(bǔ)導(dǎo)頻傳輸時(shí)的功率消耗，有效的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。推導(dǎo)出了各節(jié)點(diǎn)的遍歷可達(dá)速率的閉合表達(dá)式，通過(guò)最大化最小的節(jié)點(diǎn)可達(dá)速率優(yōu)化了基站端的能量分配和節(jié)點(diǎn)端的能量分割系數(shù)，并提出了一種迭代優(yōu)化算法來(lái)解決此優(yōu)化問(wèn)題。注意到在每次迭代過(guò)程中給定基站端的功率分配系數(shù)的條件下，最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)端的能量分割系數(shù)可以通過(guò)閉合表達(dá)式的形式得出。因此，此迭代算法具有極低的

7、計(jì)算復(fù)雜度，其解的最優(yōu)性也通過(guò)理論分析得到了證明。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了閉合表達(dá)式的準(zhǔn)確性和所提算法的有效性。
　　隨后，研究了具有無(wú)線能量收集功能的解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的能量效率。具有多天線的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)一個(gè)具備無(wú)線能量收集功能的中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助完成。對(duì)于基于功率分割的中繼攜能通信系統(tǒng)，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射功率和功率分割系數(shù)最大化了系統(tǒng)瞬時(shí)的能量效率。對(duì)于基于時(shí)間切換的中繼攜能通信系統(tǒng)，提出了一個(gè)低復(fù)雜度算法聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射

8、功率和時(shí)間切換參數(shù)最大化了系統(tǒng)瞬時(shí)的能量效率。另外，當(dāng)天線數(shù)目非常大時(shí)，在考慮天線鏈路消耗的情況下對(duì)天線的數(shù)目進(jìn)行了優(yōu)化。
　　最后，提出了一種可以應(yīng)用于多對(duì)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的攜能通信方案。在此雙向網(wǎng)絡(luò)中，兩組用戶利用收集到的射頻能量通過(guò)具有大規(guī)模天線陣列的中繼進(jìn)行信息交互。在多址接入(MAC)階段，用戶利用上個(gè)時(shí)間塊收集到的能量向中繼端發(fā)送信息，而中繼采用迫零或者最大比合并技術(shù)來(lái)解碼信息。在廣播(BC)階段，中繼向用戶廣播射頻信息，

9、而每個(gè)用戶端將接收到的射頻信號(hào)一部分用于信息解調(diào)，另一部分作為能量存儲(chǔ)起來(lái)。由于大規(guī)模天線陣列的信道硬化作用，方案中每個(gè)時(shí)間塊內(nèi)用戶所收集的的能量是穩(wěn)定的。也就是說(shuō)，在固定功率分割系數(shù)的情況下此攜能通信系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。另外，推導(dǎo)了在MAC和BC階段用戶可達(dá)速率的分析表達(dá)式。為了最大化每對(duì)的可達(dá)速率，分別針對(duì)迫零和最大比合并兩種情形對(duì)功率分割系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)基于迫零的中繼系統(tǒng)，給出了此多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的閉合解。而針對(duì)基于最大比合并