大规模MIMO系统频谱效率与能效优化研究.pdf

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1、工程硕士学位论文大规模MIMO系统频谱效率与能效优化研究RESEARCHONSPECTRALEFFICIENCYANDENERGYEFFICIENCYOPTIMIZATIONOFMASSIVEMIMOSYSTEM姜双双哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN929.5学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文大规模MIMO系统频谱效率与能效优化研究硕士研究生：姜双双导师：王彬副教授申请学位：工程硕士学科：电子与通信工程所在单位：电子与信息工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cla

2、ssifiedIndex：TN929.5U.D.C：621.3DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONSPECTRALEFFICIENCYANDENERGYEFFICIENCYOPTIMIZATIONOFMASSIVEMIMOSYSTEMCandidate：JiangShuangshuangSupervisor：A.Prof.WangBinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringElectronicandCommunicat

3、ionSpeciality：EngineeringSchoolofElectronicsandAffiliation：InformationEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要大规模多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）技术凭借其在频谱效率、能量效率和鲁棒性方面的明显优势而在无线通信领域被广泛使用。在实际的通信系统中，

4、大规模MIMO要取得这些性能上的优势，首先需要获得准确的信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）。目前主要利用正交导频来实现信息估计，然而由于相干时间是有限的，不可避免地要使用导频重用技术。而非正交的导频会产生相互干扰，导致估计信息产生误差，阻碍了系统性能的提升。频谱效率和能量效率是衡量大规模MIMO系统性能的两个重要指标，本文主要针对上述问题，从如何提升系统的频谱效率和能量效率进行研究与分析。分别针对采用最大比合并（MaximumRatioCombing，MRC）接收技术和迫零（Zero-Forcing，ZF

5、）接收技术的大规模MIMO多小区系统的上行链路进行频谱效率和能量效率的优化。分别建立最大化总频谱效率，最大化最小频谱效率和最大化能量效率的优化模型。在给定相干时间内的总功率限制下，进行导频长度的优化与功率分配来最大化能量效率，同时联合导频分配来最大化总频谱效率及最大化最小频谱效率。仿真结果表明，将导频分配和功率分配进行联合能带来频谱效率的显著增益。在高信干噪比（Signal-to-Interference-plus-NoiseRatio，SINR）时，ZF接收技术相比MRC接收技术能带来更大的频谱效率和能量效率增益。针对采用ZF预编码技术的

6、大规模MIMO系统下行链路进行能效优化。针对完美CSI下的单小区系统，建立满足用户数据速率限制的能效优化模型，通过联合数据的发射功率和基站的天线数来最大化能量效率。将分式优化问题转化为减式形式，并将目标函数表示成拉格朗日函数，推导出发射功率的闭式解和天线数的取值范围，提出一种二分法对最优的天线数进行求解，最后采用一种迭代方式求出最优的能效值。针对非完美CSI下的单小区系统，建立基站总发射功率限制值比较小的情况下的能效下界优化模型。提出一种二分法求解出拉格朗日乘子，并采用一种迭代方式求出最优的能效值的下界。仿真证实了提出算法的有效性，分析了发

7、射功率、用户数以及天线数对能效的影响。针对非完美CSI下的多小区系统，分析了一种能效优化的折中方法，在满足SINR限制的条件下，最小化系统消耗的总功率来提高系统的能量效率。仿真验证了随着限制功率的增大，这种折中方法不但保证了系统的频谱效率和能量效率，还具有高的功率节省能力。关键词：大规模MIMO；导频污染；功率控制；频谱效率；能量效率-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractMassivemultiple-inputmultiple-output(MIMO)technologyiswidelyusedinthefieldofwir

8、elesscommunicationbecauseofitsobviousadvantagesinspectralefficiency,energyefficiency,andr