發(fā)布時間：2018-03-31 18:46

  本文選題：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)　切入點：能效優(yōu)化　出處：《鄭州大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在基站端部署大規(guī)模的天線陣元,利用空間復(fù)用、傳輸分集和波束賦形等挖掘空間增益,有效提升譜效和能效,是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。但由于基站天線數(shù)量可達上百支,密集的天線部署會導(dǎo)致相關(guān)性高的天線子集和相關(guān)性低的天線子集并存。天線之間的相關(guān)性會影響系統(tǒng)容量,如果不根據(jù)射頻鏈路的特性充分挖掘天線的利用效率,系統(tǒng)將難以獲得預(yù)期的增益。天線分組技術(shù)利用天線之間的相關(guān)性將基站端天線分成若干組,相關(guān)性高的天線組通過波束賦形和預(yù)編碼的設(shè)計,消除終端用戶間的干擾;相關(guān)性低的天線組進行空間復(fù)用,滿足最大化數(shù)據(jù)速率的要求,最終使得系統(tǒng)在獲得較高譜效的同時得到較好的誤比特率性能。但綠色通信的愿景要求未來無線網(wǎng)絡(luò)不僅具有高譜效,還應(yīng)具有高能效,所以,對于無線網(wǎng)絡(luò)來說,能效變得至關(guān)重要。因此,針對大規(guī)模天線陣列的相關(guān)特性,本文基于天線分組技術(shù),研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的能效優(yōu)化問題。論文的主要工作和創(chuàng)新點如下:1)針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的能效優(yōu)化問題,構(gòu)建基于天線分組的單用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型,研究天線分組技術(shù)對能效的影響。首先建立大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效的天線分組系統(tǒng)模型;以最大化系統(tǒng)能效為優(yōu)化目標,分析天線分組過程中,每組天線數(shù)對大規(guī)模MIMO下行鏈路系統(tǒng)容量、功耗以及能效的影響;提出了基于二分法的組內(nèi)天線數(shù)最優(yōu)值求解算法。仿真結(jié)果表明當(dāng)信道相關(guān)系數(shù)變大,即信道相關(guān)性變強時,使用天線分組技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)能效;存在使系統(tǒng)能效達到最優(yōu)的每組天線數(shù)唯一解,使用所提基于二分法的最優(yōu)天線數(shù)求解算法能夠快速收斂至該唯一解。當(dāng)發(fā)送功率為10dBm時,與使用所有天線相比,采用本文提議的天線分組及組內(nèi)天線數(shù)優(yōu)化策略可使系統(tǒng)能效大約提升28%。2)為進一步提升基于天線分組的大規(guī)模MIMO多用戶系統(tǒng)的能效,本文提出了一種天線分組和功率分配聯(lián)合優(yōu)化方案。該方案以最大化能效為目標,優(yōu)化組間功率分配和組內(nèi)最優(yōu)天線數(shù)。基于所提方案,構(gòu)建了能效優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型,證明了組間最優(yōu)功率分配解的存在性。優(yōu)化問題的求解采用了標準迭代優(yōu)化算法,結(jié)合經(jīng)典的注水功率分配算法,聯(lián)合迭代組內(nèi)天線數(shù)和組間功率分配值直至系統(tǒng)能效最大化,此時對應(yīng)的解即為組間功率分配和組內(nèi)天線數(shù)的最優(yōu)解。數(shù)值仿真結(jié)果表明,在相關(guān)信道中,天線分組技術(shù)可以提高大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效,而將天線分組和功率分配技術(shù)結(jié)合起來,可以進一步提升系統(tǒng)能效。
[Abstract]:Large scale MIMO system deploys large scale antenna array elements at the base station end, mining spatial gain by using spatial multiplexing, transmission diversity and beamforming, which can effectively improve spectral efficiency and energy efficiency. It is one of the key technologies of 5G, but because the number of base station antennas can reach hundreds, dense antenna deployment will lead to the coexistence of high correlation antenna subset and low correlation antenna subset. The correlation between antennas will affect the system capacity. If the efficiency of antenna utilization is not fully exploited according to the characteristics of RF link, it will be difficult for the system to obtain the expected gain. Antenna grouping technology uses the correlation between antennas to divide the base station antenna into several groups. The antenna group with high correlation eliminates the interference between the end users by the design of beamforming and precoding, and the antenna group with low correlation is multiplexed in space to meet the requirements of maximizing the data rate. In the end, the system can obtain higher spectral effect and better bit error rate performance. However, the vision of green communication requires that wireless networks not only have high spectral efficiency, but also have high energy efficiency in the future, so, for wireless networks, Energy efficiency has become critical. Therefore, in view of the characteristics of large antenna arrays, this paper is based on antenna grouping technology. The main work and innovation of this paper are as follows: 1) aiming at the problem of energy efficiency optimization in large-scale MIMO systems, a single-user large-scale MIMO system model based on antenna grouping is constructed. The effects of antenna packet technology on energy efficiency are studied. Firstly, an energy efficiency based antenna packet system model in large-scale MIMO system is established, and the optimization goal is to maximize system energy efficiency, and the process of antenna grouping is analyzed. The effect of the number of antennas per group on the capacity, power consumption and energy efficiency of large-scale MIMO downlink system is discussed. An algorithm based on dichotomy is proposed to solve the optimal number of antennas in the group. The simulation results show that when the channel correlation coefficient increases, that is, the channel correlation becomes stronger. The use of antenna grouping technology can effectively improve system energy efficiency; there is a unique solution for each group of antennas that make the system energy efficient. The proposed optimal antenna number solution based on dichotomy can quickly converge to this unique solution. When the transmission power is 10dBm, compared with all antennas, Using the antenna packet and antenna number optimization strategy proposed in this paper can improve the system energy efficiency about 28.2) to further improve the energy efficiency of large-scale MIMO multiuser system based on antenna packet. In this paper, a joint optimization scheme of antenna grouping and power allocation is proposed, which aims at maximizing energy efficiency, and optimizes the power allocation among groups and the optimal number of antennas within the group. Based on the proposed scheme, a mathematical model of the energy efficiency optimization problem is constructed. The existence of optimal power allocation solution between groups is proved. The standard iterative optimization algorithm is used to solve the optimization problem. Combined with the classical water injection power allocation algorithm, the number of antennas in the iterative group and the inter-group power allocation value are combined until the system energy efficiency is maximized. The corresponding solution is the optimal solution of the power allocation between groups and the number of antennas within the group. The numerical simulation results show that the antenna grouping technique can improve the energy efficiency of large-scale MIMO systems in the correlated channels. The combination of antenna grouping and power allocation technology can further improve system energy efficiency.
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN919.3

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本文編號：1691979