高能效的中繼輔助傳輸大規(guī)模MIMO系統(tǒng)研究.pdf

1、當(dāng)前，4G在全球范圍內(nèi)進(jìn)入了高速發(fā)展期，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的移動寬帶服務(wù)。與此同時，5G標(biāo)準(zhǔn)正在加緊制定中，并預(yù)計2020年投入商用。相比4G，5G在容量、數(shù)據(jù)速率、時延等方面會有質(zhì)的提升；而節(jié)能也成為5G的一大亮點，網(wǎng)絡(luò)功能不再以巨額能耗為代價。大規(guī)模 MIMO技術(shù)和中繼技術(shù)不僅能夠顯著提升系統(tǒng)頻譜效率（SE），而且均帶有綠色節(jié)能屬性，是實現(xiàn)綠色5G的關(guān)鍵技術(shù)。
　　為了實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，我們將中繼部署到大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)，組成中

2、繼輔助傳輸?shù)拇笠?guī)模MIMO系統(tǒng)，深度挖掘無線空間維度資源，使系統(tǒng)頻譜效率和能量效率（EE）進(jìn)一步提升。值得注意的是，在大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)，電路功耗隨天線數(shù)線性增長；而引入中繼也令網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兊脧?fù)雜。因此，我們必須針對該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點，合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，充分發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢。這里我們采用兩種方案:功率分配和用戶關(guān)聯(lián)。
　　首先,通過功率分配實現(xiàn)中繼輔助傳輸大規(guī)模MIMO系統(tǒng)SE和EE的折中。具體研究方法是，得到在導(dǎo)頻污染域，單小區(qū)、

3、多中繼、多用戶大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)下行SE和EE的閉式表達(dá)式。基于該理論結(jié)果，我們分析了一些系統(tǒng)參數(shù)，如基站天線數(shù)、發(fā)射功率，中繼站發(fā)射功率對系統(tǒng)EE和SE的影響；然后通過功率分配實現(xiàn)了SE和EE的折中，將問題規(guī)劃成在滿足用戶最小SINR要求，基站、中繼發(fā)射功率約束條件下，通過對基站發(fā)射功率、中繼發(fā)射功率的聯(lián)合優(yōu)化最大化系統(tǒng) EE。為此我們提出了兩種優(yōu)化算法:1-D搜索算法和交替迭代算法。相比之下，1-D搜索算法的有效性更高，而交替迭代

4、算法復(fù)雜度更低，最后做了仿真驗證。
　　前面的研究僅考慮了功率分配問題，但是對于中繼輔助傳輸大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)這樣的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶關(guān)聯(lián)是無線資源管理的重要一壞，并且深刻影響系統(tǒng)性能。因此，我們將優(yōu)化對象擴(kuò)展到用戶關(guān)聯(lián)方案，通過聯(lián)合優(yōu)化用戶關(guān)聯(lián)和功率分配，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能量效率。具體研究方法是，將問題規(guī)劃成在用戶最低SINR要求和基站、中繼站最大發(fā)射功率約束條件下，通過對用戶關(guān)聯(lián)和功率分配聯(lián)合優(yōu)化，實現(xiàn)基于比例公平的系統(tǒng)能效的

5、最大化。由于該聯(lián)合優(yōu)化問題是非凸混合整數(shù)非線性的，很難直接得到最優(yōu)解。為此，我們將原始問題分解成兩個子問題，并通過交替迭代算法得到次優(yōu)解。針對用戶關(guān)聯(lián)子問題，我們采用Lagrangian對偶分解法得到最優(yōu)的用戶關(guān)聯(lián)方案。而針對功率分配子問題，我們采用牛頓法確定基站和中繼的最優(yōu)發(fā)射功率。最后給出了完整的迭代算法。
　　本文在5G背景下，將大規(guī)模MIMO和中繼技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并通過資源分配提升了系統(tǒng)能效。研究成果對于未來節(jié)能的5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)