基于能量效率優(yōu)化的終端發(fā)送技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，用戶對(duì)于無線業(yè)務(wù)的需求也越來越高，這一切都集中反映出了日益增長(zhǎng)的無線數(shù)據(jù)速率要求。這使得現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)受到頻譜資源緊缺和能耗嚴(yán)重的雙重挑戰(zhàn)。隨著3G甚至是4G通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛架設(shè)，可以預(yù)見無線通信的能耗將會(huì)迅猛增長(zhǎng)。作為無線通信系統(tǒng)中能耗的重要組成部分，提高發(fā)送端的能效對(duì)于降低通信系統(tǒng)的能耗有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)由于移動(dòng)終端便攜性和移動(dòng)性要求所帶來的體積和重量限制，以及電池材料發(fā)展的相對(duì)緩慢，造成了現(xiàn)有移

2、動(dòng)通信終端的“電池瓶頸”。因此除了節(jié)能環(huán)保的意義，提高終端發(fā)送能效同樣可以延長(zhǎng)有效通信時(shí)間。因此如何通過終端發(fā)送技術(shù)，提高終端發(fā)送能效是一個(gè)亟待解決的問題。本文研究?jī)蓚€(gè)終端發(fā)送場(chǎng)景:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單用戶鏈路和多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多用戶發(fā)送。并分別提出了基于能效的鏈路自適應(yīng)發(fā)送技術(shù)和多用戶自適應(yīng)發(fā)送策略，來根據(jù)系統(tǒng)的CSIT，干擾狀態(tài)和目標(biāo)頻譜效率等自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送速率，發(fā)射功率，多天線模式，協(xié)作方式等來提高終端發(fā)送能效。
　　首先，本文研究在非完美的發(fā)

3、送端信道狀態(tài)信息下，OSTBC-MIMO系統(tǒng)的能效鏈路自適應(yīng)問題。之前基于完美信道狀態(tài)信息的研究和基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的研究都可以歸為本章研究問題的極限情況。同時(shí)，我們不僅僅考慮常值的放大器效率，還考慮MQAM調(diào)制時(shí)，由于非恒包絡(luò)調(diào)制而造成的與調(diào)制階數(shù)相關(guān)的放大器效率。盡管建模的問題是非凸的，通過廣義凸優(yōu)化的理論，我們推導(dǎo)出在即時(shí)BER約束下，能效最優(yōu)的發(fā)送速率和發(fā)射功率的閉式表達(dá)結(jié)果。根據(jù)這個(gè)表達(dá)結(jié)果，我們進(jìn)一步給出完美信道狀態(tài)信息和

4、統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息下的極限結(jié)果。
　　然后我們分別討論了通過自適應(yīng)的多天線選擇和訓(xùn)練序列優(yōu)化機(jī)制來提高點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的能效。針對(duì)能效優(yōu)化的多天線自適應(yīng)選擇，我們提出了一種基于能效優(yōu)化的一般性天線選擇合并機(jī)制，即EE-GSC機(jī)制。通過該機(jī)制，我們實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端多天線分集增益和電路功耗的最優(yōu)折中，來最大化鏈路的能效?；陧樞蚪y(tǒng)計(jì)理論，我們推導(dǎo)出了在目標(biāo)頻譜效率下，平均發(fā)射天線數(shù)和平均發(fā)送能效。并基于推導(dǎo)出的理論結(jié)果，給出了一些特殊情況的分析。

5、針對(duì)能效優(yōu)化的訓(xùn)練序列自適應(yīng)功率分配，我們分別分析了基于訓(xùn)練序列的有反饋MIMO系統(tǒng)和無反饋MIMO系統(tǒng)。首先，我們考慮了無反饋MIMO系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送功率在各個(gè)天線上平均分配的情況。當(dāng)訓(xùn)練序列功率固定時(shí)，我們給出了能效最優(yōu)的數(shù)據(jù)序列功率，同時(shí)證明了它的存在唯一性。當(dāng)數(shù)據(jù)序列功率和訓(xùn)練序列功率都可變時(shí)，我們提出了一種收斂的交替優(yōu)化算法，獲得能效優(yōu)化的數(shù)據(jù)序列功率和訓(xùn)練序列功率。接著，我們分析了有反饋的MIMO系統(tǒng)，發(fā)送功率在各個(gè)天線上

6、注水分配的情況。當(dāng)訓(xùn)練序列功率固定時(shí)，我們給出了最優(yōu)的數(shù)據(jù)序列功率和其對(duì)應(yīng)的有效發(fā)送天線數(shù)。盡管有效發(fā)送天線數(shù)目是離散的，我們?nèi)宰C明了它們的存在唯一性。當(dāng)數(shù)據(jù)序列功率和訓(xùn)練序列功率都可變時(shí)，我們提出了一種類似的收斂的交替優(yōu)化算法，獲得能效優(yōu)化的數(shù)據(jù)序列功率和訓(xùn)練序列功率。通過這些算法的數(shù)值結(jié)果，我們討論了多天線配置，電路功耗和塊衰落長(zhǎng)度對(duì)于發(fā)送端能效的影響。
　　接著我們研究了多用戶無用戶間協(xié)作系統(tǒng)中，用戶通過分布式功率控制，在實(shí)

7、現(xiàn)目標(biāo)SINR的約束下，最小化總的發(fā)射功耗，以提高用戶能效的問題。對(duì)于系統(tǒng)中發(fā)射用戶較少，每個(gè)用戶都可以達(dá)到目標(biāo)SINR，即系統(tǒng)可行時(shí)，我們證明了采用ZF和MMSE接收機(jī)，多用戶采用標(biāo)準(zhǔn)功控算法時(shí)，可以收斂到最優(yōu)的發(fā)射功率。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)射用戶較多，或者用戶目標(biāo)SINR較大時(shí)，不能保證每個(gè)用戶都可以達(dá)到目標(biāo)SINR，即系統(tǒng)不可行時(shí)，我們提出了具有用戶軟移除的分布式功控算法。通過廣義標(biāo)準(zhǔn)的理論，我們證明了該算法的收斂性。通過數(shù)值結(jié)果，我們證明

8、了該算法通過軟移除不可行用戶，不僅僅提高了用戶的能效，而且降低了系統(tǒng)中用戶的掉線概率。
　　最后我們提出在有用戶間協(xié)作的MU-SIMO系統(tǒng)中，目標(biāo)頻譜效率下，一種分布式的能效優(yōu)化體制。我們將該體制分為兩個(gè)部分。在第一個(gè)部分，我們回答這樣一個(gè)問題，即:“在MU-SIMO協(xié)作集合內(nèi)，用戶間如何協(xié)作？”。我們給出目標(biāo)頻譜效率下，在MU-SIMO協(xié)作集合內(nèi)，每個(gè)用戶在各個(gè)RB上最優(yōu)發(fā)送能效功率分配的閉式表達(dá)式。在第二個(gè)部分，我們回答“用戶