大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化研究.pdf

1、通過使用大規(guī)模天線陣完成數(shù)據(jù)傳輸，大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系統(tǒng)可以將波束能量集中到很小的空間區(qū)域，從而節(jié)省發(fā)射功率并降低對(duì)非目標(biāo)用戶的干擾，因此可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)更高的能量效率，是重要的5G（5 Generation，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)）候選技術(shù)。隨著全球變暖的不斷加劇，能效優(yōu)化成為科研和工程實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，由于大量射頻鏈路消耗的

2、功率較大，使用所有天線完成數(shù)據(jù)傳輸會(huì)造成能效損失，另外，系統(tǒng)復(fù)雜化為能效進(jìn)一步優(yōu)化提供了空間，因此大規(guī)模MIMO的能效優(yōu)化問題近年來得到了廣泛的研究。本文重點(diǎn)關(guān)注考慮射頻鏈路功耗的天線選擇問題以及天線數(shù)、用戶數(shù)和發(fā)射功率聯(lián)合優(yōu)化問題，本文的主要工作有：
　　1.對(duì)低復(fù)雜度天線選擇算法進(jìn)行了研究。針對(duì)大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目較多，天線選擇復(fù)雜度較高的問題，首先介紹了一種以最小平均誤差作為目標(biāo)函數(shù)的上行天線選擇算法，該算法可以轉(zhuǎn)化

3、為一個(gè)稀疏近似問題，并通過現(xiàn)有成熟的稀疏近似方法進(jìn)行求解。基于稀疏近似的方法，提出了一種適用于大規(guī)模MIMO多用戶系統(tǒng)的天線選擇算法，該方法利用大規(guī)模天線陣所能獲得的信號(hào)分集，以信道矩陣作為測(cè)量字典，通過稀疏近似方法求解低相關(guān)性的天線集。該方法考慮天線相關(guān)性，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中性能優(yōu)于不考慮天線選擇的低復(fù)雜度天線選擇算法，仿真結(jié)果表明，天線相關(guān)性越強(qiáng)，該算法的性能優(yōu)勢(shì)越明顯。
　　2.對(duì)迫零（Zero Forcing，ZF）預(yù)

4、編碼方式下的天線數(shù)、用戶數(shù)和發(fā)射功率聯(lián)合能效優(yōu)化進(jìn)行了研究。通過對(duì)ZF預(yù)編碼方式下遍歷能效的分析，結(jié)合分式優(yōu)化算法，給出了多用戶場(chǎng)景下的天線數(shù)、發(fā)射功率和用戶數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化方法及其退化形式。在優(yōu)化過程中，發(fā)射功率和天線數(shù)優(yōu)化問題均可轉(zhuǎn)化為一種可以快速求解的形式，且滿足相互迭代的條件；用戶數(shù)優(yōu)化問題也可以通過二分法來求解；三者的聯(lián)合優(yōu)化也可根據(jù)由表達(dá)式得出的性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化。仿真結(jié)果表明，該算法在相關(guān)和非相關(guān)信道下均可實(shí)現(xiàn)近似最優(yōu)的能效。

5、>　　3.對(duì)最大比發(fā)射（Maximum Ratio Transmission，MRT）預(yù)編碼方式下的天線數(shù)、發(fā)射功率優(yōu)化算法進(jìn)行研究。根據(jù)ZF預(yù)編碼方式下的聯(lián)合優(yōu)化方法的思路，對(duì)MRT預(yù)編碼方式下的遍歷能效進(jìn)行推導(dǎo)，給出了MRT預(yù)編碼方式下應(yīng)用該方法的相關(guān)證明及方法的具體形式。本文對(duì)多用戶系統(tǒng)和單用戶系統(tǒng)兩種系統(tǒng)模型均進(jìn)行了研究，對(duì)于單用戶系統(tǒng)，考慮了信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）已知和未知兩