基于能量效率的自適應(yīng)多天線傳輸技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，新興業(yè)務(wù)和移動(dòng)應(yīng)用的爆炸性增長(zhǎng)，移動(dòng)用戶對(duì)傳輸速率提出了更高的要求。多天線系統(tǒng)通過(guò)在收發(fā)端配置多根天線，利用復(fù)用/分集增益提高系統(tǒng)的頻譜效率和傳輸可靠性，已經(jīng)成為了未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的一項(xiàng)基本技術(shù)。傳統(tǒng)多天線技術(shù)主要關(guān)注頻譜效率，從信息論的角度探尋最大可達(dá)容量。與此同時(shí)，無(wú)線通信系統(tǒng)的高能耗成為了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，提高多天線系統(tǒng)的能量效率，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的綠色化有著重要的實(shí)用價(jià)值和意義。從頻譜效率的角度，采用更大的

2、發(fā)送功率、更多的發(fā)送天線和更高的帶寬可以獲得系統(tǒng)容量的提升。但從能量效率的角度，由于發(fā)送功率之外的功放線路功率、信號(hào)處理功率、饋線損耗等其它部分功率的存在，使得采用更大的發(fā)送功率、更多的發(fā)送天線和更高的帶寬并不總是可以提高系統(tǒng)的能量效率，甚至?xí)?lái)能量效率的惡化。因此，如何在保證頻譜效率的同時(shí)提高多天線系統(tǒng)的能量效率是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本文關(guān)注下行多天線系統(tǒng)，對(duì)下行多入多出(MIMO)技術(shù)三種可能的應(yīng)用方式：?jiǎn)斡脩鬗IMO、多用戶MI

3、MO和多小區(qū)MISO的能量效率問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出基于能量效率的自適應(yīng)傳輸技術(shù)，在保證頻譜效率的基礎(chǔ)上提高能量效率。
　　 首先，本文針對(duì)基于臟紙編碼的下行多用戶MIMO廣播信道能效優(yōu)化問(wèn)題，提出了聯(lián)合發(fā)送協(xié)方差矩陣優(yōu)化和激活發(fā)送天線選擇的能效優(yōu)化基本框架，得到MIMO廣播信道的能量效率理論上界，為能效優(yōu)化的多用戶MIMO傳輸指明了方向。在固定激活發(fā)送天線集合的情況下，利用MIMO廣播信道和多址接入信道的對(duì)偶性，將MIMO

4、廣播信道的能效優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸分?jǐn)?shù)優(yōu)化問(wèn)題，提出一種能效優(yōu)化的迭代功率注水算法，并證明其收斂于全局最優(yōu)點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，提出激活發(fā)送天線選擇來(lái)選取能量效率最優(yōu)的激活發(fā)送天線集合，通過(guò)關(guān)閉非激活天線集合對(duì)應(yīng)的功率放大器節(jié)省線路功率。
　　 接下來(lái)，本文針對(duì)采用實(shí)用低復(fù)雜度的線性預(yù)編碼技術(shù)、具有非完善發(fā)送端信道狀態(tài)信息(CSIT)等實(shí)際約束的多用戶MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化問(wèn)題，提出多模傳輸技術(shù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)能量效率。由于非完善CSIT的存在

5、將導(dǎo)致多用戶干擾，多個(gè)用戶復(fù)用以后，存在復(fù)用增益與多用戶干擾之間的折中，因此考慮了兩種傳輸策略——基于奇異值分解的單用戶MIMO和基于塊對(duì)角化的多用戶MIMO。通過(guò)綜合考慮發(fā)送功率、系統(tǒng)帶寬、發(fā)送天線、接收天線/用戶、傳輸策略等參數(shù)對(duì)能量效率的影響，針對(duì)以下兩種場(chǎng)景，提出聯(lián)合發(fā)送功率/帶寬優(yōu)化和模式選擇的策略，提高多用戶MIMO系統(tǒng)能量效率，具有很好的實(shí)用價(jià)值。
　　 1)針對(duì)發(fā)送天線數(shù)目大于等于所有用戶接收天線數(shù)目的場(chǎng)景，將模

6、式定義為以下參數(shù)——傳輸策略、發(fā)送天線數(shù)目、接收天線數(shù)目和用戶數(shù)目，進(jìn)而提出基于各態(tài)歷經(jīng)容量的模式切換策略來(lái)提高能效。在固定的模式下，針對(duì)單用戶MIMO和多用戶MIMO，分別給出基于能效的發(fā)送功率/帶寬聯(lián)合優(yōu)化方案，并提出一種對(duì)抗不完善CSIT的信道容量預(yù)測(cè)方法來(lái)幫助上述優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步基于各態(tài)歷經(jīng)容量給出能效優(yōu)化模式選擇算法，為不同場(chǎng)景下最優(yōu)能量效率對(duì)應(yīng)的模式提供了指導(dǎo)意義。
　　 2)針對(duì)發(fā)送天線數(shù)目小于所有用戶接收

7、天線數(shù)目的場(chǎng)景，將模式定義為以下參數(shù)——傳輸策略、激活發(fā)送天線集合、激活接收天線集合和激活用戶集合，進(jìn)而提出基于聯(lián)合收發(fā)天線選擇的模式切換策略來(lái)提高能效。在固定的模式下，把上述場(chǎng)景一的發(fā)送功率/帶寬聯(lián)合優(yōu)化方案擴(kuò)展到了基站總發(fā)送功率受限的情況；在此基礎(chǔ)上，提出一種低復(fù)雜度的能效優(yōu)化聯(lián)合收發(fā)天線選擇算法，并通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該算法可以獲得與最優(yōu)遍歷搜索近似的性能；進(jìn)一步將算法應(yīng)用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，通過(guò)利用延時(shí)一能耗折中關(guān)系，降低系統(tǒng)

8、的能耗。
　　 最后，本文針對(duì)多小區(qū)MISO系統(tǒng)的能量效率問(wèn)題，定義新的多小區(qū)能效度量準(zhǔn)則，提出不同協(xié)作等級(jí)的傳輸策略和一種新的協(xié)同靜默技術(shù)，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)提高多小區(qū)MISO系統(tǒng)的能量效率。通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)能量效率作為多小區(qū)能效度量準(zhǔn)則，提出了采用線性預(yù)編碼方式下，三種基于不同協(xié)作等級(jí)的傳輸策略，并根據(jù)不同協(xié)作等級(jí)分別得到基于能效的功率分配方案，在保證頻譜效率的情況下最大化網(wǎng)絡(luò)能量效率。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了協(xié)同靜默技