能效優(yōu)化的大規(guī)模MIMO無線傳輸技術(shù).pdf

1、大規(guī)模多輸入多輸出（Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO）是新一代移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它具有大幅度提升系統(tǒng)頻譜效率和能量效率的潛在優(yōu)勢。但是，大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，比如導(dǎo)頻污染、信道測量與建模、信道估計、波束賦形設(shè)計及低成本硬件實現(xiàn)等。本文面向綠色寬帶移動通信的發(fā)展需求，研究能效優(yōu)化的大規(guī)模MIMO無線傳輸技術(shù)。主要工作和貢獻包括:
　

2、　首先，以提高系統(tǒng)能效為目標研究多小區(qū)多用戶MIMO傳輸技術(shù)。給出系統(tǒng)模型并定義能效優(yōu)化問題，由于目標函數(shù)呈分式形式和優(yōu)化變量之間相互耦合導(dǎo)致優(yōu)化問題難以直接求解。為解決該問題，引入輔助變量，利用分式規(guī)劃和低復(fù)雜性連續(xù)凸逼近法把原始問題近似等效轉(zhuǎn)換為凸問題，進而提出一種聯(lián)合波束賦形和功率分配的交替迭代優(yōu)化算法，從理論上證明了其收斂性。仿真結(jié)果表明所提算法經(jīng)過若干次迭代即可收斂，系統(tǒng)能效性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳輸方案。
　　接著，研究單小

3、區(qū)大規(guī)模MIMO能效優(yōu)化傳輸技術(shù)。針對單小區(qū)多用戶下行鏈路，以能效為目標，并同時考慮用戶服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)需求和單基站功率約束建立優(yōu)化問題。引入輔助變量并根據(jù)上下行對偶性，將原始下行優(yōu)化問題等效轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的虛擬上行優(yōu)化問題。進而，考慮有限系統(tǒng)中利用瞬時信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)及大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中利用統(tǒng)計CSI兩種情形，分別提出相應(yīng)的能效優(yōu)化波束賦形

4、算法，并分析了所提兩種算法的收斂性與計算復(fù)雜度。數(shù)值仿真表明所提兩種算法均具有較快的收斂速度，以及隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加，利用統(tǒng)計CSI的波束賦形算法的系統(tǒng)能效性能趨近于利用瞬時CSI的波束賦形算法，因而可以有效地實現(xiàn)系統(tǒng)性能與復(fù)雜度的折中。
　　然后，研究多小區(qū)協(xié)作大規(guī)模MIMO能效優(yōu)化傳輸技術(shù)，著重解決其所涉及的聯(lián)合波束賦形和功率控制優(yōu)化問題。為求解該問題，引入輔助變量將原始問題轉(zhuǎn)換為極小極大問題，并基于上下行對偶性實現(xiàn)問題等

5、效轉(zhuǎn)化，提出了有限系統(tǒng)中利用瞬時CSI的能效優(yōu)化波束賦形算法。進而，針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，根據(jù)大維隨機矩陣理論，設(shè)計出利用統(tǒng)計CSI更新功率分配和利用瞬時CSI分布式更新波束賦形的傳輸方案。與傳統(tǒng)利用瞬時CSI的傳輸方案相比，所提傳輸方案可以有效地減少信令交互開銷，降低功率更新頻率，并且進一步降低實現(xiàn)復(fù)雜度，同時維持系統(tǒng)能效性能。仿真結(jié)果驗證了所提算法的收斂性和有效性。
　　最后，以提升能效和頻效綜合性能為目標研究多小區(qū)多用戶M