多小区协作大规模mimo系统的能效优化energyefficiencyoptimizationofmulticellco
减少通信系统的能量消耗一直是降低运营商的成本和改善环境的关键问题。绿色通信提出把能量效率视为一项用于评估通信系统的重要指标。因此如何提高通信系统的能量效率受到越来越多的学者关注。协作多点传输由于有多个接入点的参与，通过有效的功率控制，可以节省各个接入点上的功率输出，减少系统总功率消耗，进而提高整个系统的功率效率。而MIMO技术能够用比单天线系统更低的发射功率，达到相同的数据传输速率，因此也是降低通信系统能效的技术之一。考虑到目前通信系统中存在的问题以及未来通信产业的发展要求，本文将大规模MIMO技术以及协作通信技术相结合，来对系统的能效性能进行优化研究。本文针对多小区协作大规模MIMO下行系统中基于能效最优的资源分配问题进行了研究。假定采用基站完全协作的方式，并采用迫零（ZF）接收的情况下，建立以系统能效最大化为目标函数的模型，通过采用分数规划的性质，把分数形式的能效函数转换为减数形式，研究一种资源分配算法，实现系统能效最大。并通过系统能效函数与用户数、基站天线数之间关系的MATLAB仿真，验证所研究算法的有效性和优越性。关键词大规模MIMO；协作通信；能效；资源分配
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3 本论文的主要工作及章节安排 2
第二章 大规模MIMO技术 4
2.1大规模MIMO技术介绍 4
2.2 大规模MIMO技术的优点 5
2.2.1频谱效率 5
2.2.2能量效率 5
2.3 大规模MIMO系统的能效优化研究 6
第三章 协作通信的技术原理 7
3.1协作通信的简介 7
3.1.1 多小区协作通信 9
3.2 协作通信系统的研究现状 10
3.3 协作通信的发展方向 11
第四章 通信系统的能效优化研究 12
4.1能效的标准 12
4.2优化系统能效的意义 13
4.3系统能效的优化方式 15
4.3.1 传统蜂窝网络中的能效优化 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.3.2多小区协同网络中的能效优化 16
第五章 多小区协作大规模MIMO系统的能效优化 17
5.1 引言 17
5.2 系统模型 17
5.3能效资源分配算法 20
5.3.1算法简介 20
5.3.2 最小化发射功率算法简介 21
5.4仿真结果与分析 21
5.5 小结 27
第六章 总结 29
致谢 30
参考文献 31
附录 源程序 ..............................................................................................................................34 第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着信息化产业和通信技术的飞速发展，通信基站的数目和负载也年复一年的增加。移动网络的碳排放量约占全球总排放量的的0.2%，其电能消耗量占全球总消耗量的18%到41%。减少能量消耗也成为了降低运营商的成本和改善环境的关键问题，绿色通信提出降低通信网络的能量消耗。同时，能量效率一直被视为一项用于评估通信系统的重要指标。而如何提高通信系统的能量效率也成为了越来越多的学者关注的课题。
作为下一代的无线宽带移动通信系统中普遍采用的MIMO（MultipleInput MultipleOutput，多输入多输出）技术，利用多个天线实现多发多收，以此来改善通信系统的信息传输质量[1]。它能使空间频谱资源得到充分的利用，对无线通信系统信道容量、发射功率等都有明显提升。在2010年底，贝尔实验室科学家提出了大规模MIMO(Large Scale MIMO)的概念。科学家提出了一种采用时分复用的传输策略，和平常的LTE技术相比，都占用20MHz的系统带宽的前提下，大规模 MIMO技术能够使得小区吞吐率达到了1200兆比特/秒，而频谱利用率突破到了60比特/秒/赫兹/小区。通过在蜂窝网络中进行基站之间的协作通信，并与大规模MIMO技术相结合，以此来进一步提高无线通信网络的频谱利用率，扩大了有效的网络覆盖面积，改善小区边缘区域对大规模MIMO技术增益的限制问题。在分布式接入点组网模式下，射频拉远单元将更加靠近用户，使得终端的和小区的功率效率大大改善。发射功率的降低使得系统内部的干扰也明显减少了，这样做也使得系统的频谱效率大大提高了，直接带来了终端省电的优点。
综上所述，大规模MIMO系统与协作通信技术能够将无线通信系统频谱资源的空间利用率成倍提升，使得无线通信网络的频谱效率和功率效率得到明显改善[2]，在绿色移动通信技术研究方向具有很高的研究价值。因此，对大规模MIMO系统的能效优化研究是有必要的。
1.2国内外研究现状
为了适应未来通信通信业务的快速增长，业界和学术界需要定义下一代无线通信系统(5G)的标准，还需要将频谱效率至少提升一个数量级。大规模MIMO通信技术作为下一代通信技术的关键之一，对通信业务的数据传输速率提升和频谱资源的空间利用率都具有其他通信技术不可比拟的优越性[3]。
文献[4]研究了在无线传感网络中利用通信节点之间的协作以此来提高系统的能效性能，通过协作通信技术多个节点就构成了一个虚拟的MIMO系统。分析研究的结果可知，当传输的距离比某一个值要大时，在考虑到由于协作而消耗的能量以及耗费的时间的前提下，协作通信技术还是能够获得比不协作之前更少的能量消耗以及更短的延迟。文献[5] 在文献[4]的前提下进一步研究了传输速率以及由于信道的路径损耗等其他参数对协作MIMO系统下的能量消耗以及系统延迟的影响。文献[5]仿真的结果表明就算考虑到协作MIMO技术会有额外的信道开销，但还是具有高能效和低延迟的技术优势。
无线传感网络中，因为上报内容与相邻传感器之间是有一定联系的，所以我们可以利用相邻传感器把数据先进形融合然后协作上传，以此来降低通信节点的能量消耗。基于提高通信节点的能效为前提，文献[6]中的协作MIMO系统中结合数据聚合技术以此来降低无线传感网络的能量消耗，通过分析集中式以及分布式两种不同场景的结合方案。比较发现，两种技术相结合的方案比单独使用某一技术的方案对系统的能效性能优化都要好。
1.3 本论文的主要工作及章节安排
本文针对基于大规模MIMO系统的多小区协作的系统模型，研究了一种建立以系统能效最大化为目标函数的能效优化算法。研究资源分配算法，实现系统能效最大。完成系统能效函数与用户数、基站天线数之间关系的MATLAB仿真验证研究算法的有效性。本文的主要章节设置如下：
第一章介绍了课题研究的背景、意义以及国内外研究现状。从通信信息产业的未来发展角度出发，引出了大规模MIMO技术以及协作通信技术。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3 本论文的主要工作及章节安排 2
第二章 大规模MIMO技术 4
2.1大规模MIMO技术介绍 4
2.2 大规模MIMO技术的优点 5
2.2.1频谱效率 5
2.2.2能量效率 5
2.3 大规模MIMO系统的能效优化研究 6
第三章 协作通信的技术原理 7
3.1协作通信的简介 7
3.1.1 多小区协作通信 9
3.2 协作通信系统的研究现状 10
3.3 协作通信的发展方向 11
第四章 通信系统的能效优化研究 12
4.1能效的标准 12
4.2优化系统能效的意义 13
4.3系统能效的优化方式 15
4.3.1 传统蜂窝网络中的能效优化 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.3.2多小区协同网络中的能效优化 16
第五章 多小区协作大规模MIMO系统的能效优化 17
5.1 引言 17
5.2 系统模型 17
5.3能效资源分配算法 20
5.3.1算法简介 20
5.3.2 最小化发射功率算法简介 21
5.4仿真结果与分析 21
5.5 小结 27
第六章 总结 29
致谢 30
参考文献 31
附录 源程序 ..............................................................................................................................34 第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着信息化产业和通信技术的飞速发展，通信基站的数目和负载也年复一年的增加。移动网络的碳排放量约占全球总排放量的的0.2%，其电能消耗量占全球总消耗量的18%到41%。减少能量消耗也成为了降低运营商的成本和改善环境的关键问题，绿色通信提出降低通信网络的能量消耗。同时，能量效率一直被视为一项用于评估通信系统的重要指标。而如何提高通信系统的能量效率也成为了越来越多的学者关注的课题。
作为下一代的无线宽带移动通信系统中普遍采用的MIMO（MultipleInput MultipleOutput，多输入多输出）技术，利用多个天线实现多发多收，以此来改善通信系统的信息传输质量[1]。它能使空间频谱资源得到充分的利用，对无线通信系统信道容量、发射功率等都有明显提升。在2010年底，贝尔实验室科学家提出了大规模MIMO(Large Scale MIMO)的概念。科学家提出了一种采用时分复用的传输策略，和平常的LTE技术相比，都占用20MHz的系统带宽的前提下，大规模 MIMO技术能够使得小区吞吐率达到了1200兆比特/秒，而频谱利用率突破到了60比特/秒/赫兹/小区。通过在蜂窝网络中进行基站之间的协作通信，并与大规模MIMO技术相结合，以此来进一步提高无线通信网络的频谱利用率，扩大了有效的网络覆盖面积，改善小区边缘区域对大规模MIMO技术增益的限制问题。在分布式接入点组网模式下，射频拉远单元将更加靠近用户，使得终端的和小区的功率效率大大改善。发射功率的降低使得系统内部的干扰也明显减少了，这样做也使得系统的频谱效率大大提高了，直接带来了终端省电的优点。
综上所述，大规模MIMO系统与协作通信技术能够将无线通信系统频谱资源的空间利用率成倍提升，使得无线通信网络的频谱效率和功率效率得到明显改善[2]，在绿色移动通信技术研究方向具有很高的研究价值。因此，对大规模MIMO系统的能效优化研究是有必要的。
1.2国内外研究现状
为了适应未来通信通信业务的快速增长，业界和学术界需要定义下一代无线通信系统(5G)的标准，还需要将频谱效率至少提升一个数量级。大规模MIMO通信技术作为下一代通信技术的关键之一，对通信业务的数据传输速率提升和频谱资源的空间利用率都具有其他通信技术不可比拟的优越性[3]。
文献[4]研究了在无线传感网络中利用通信节点之间的协作以此来提高系统的能效性能，通过协作通信技术多个节点就构成了一个虚拟的MIMO系统。分析研究的结果可知，当传输的距离比某一个值要大时，在考虑到由于协作而消耗的能量以及耗费的时间的前提下，协作通信技术还是能够获得比不协作之前更少的能量消耗以及更短的延迟。文献[5] 在文献[4]的前提下进一步研究了传输速率以及由于信道的路径损耗等其他参数对协作MIMO系统下的能量消耗以及系统延迟的影响。文献[5]仿真的结果表明就算考虑到协作MIMO技术会有额外的信道开销，但还是具有高能效和低延迟的技术优势。
无线传感网络中，因为上报内容与相邻传感器之间是有一定联系的，所以我们可以利用相邻传感器把数据先进形融合然后协作上传，以此来降低通信节点的能量消耗。基于提高通信节点的能效为前提，文献[6]中的协作MIMO系统中结合数据聚合技术以此来降低无线传感网络的能量消耗，通过分析集中式以及分布式两种不同场景的结合方案。比较发现，两种技术相结合的方案比单独使用某一技术的方案对系统的能效性能优化都要好。
1.3 本论文的主要工作及章节安排
本文针对基于大规模MIMO系统的多小区协作的系统模型，研究了一种建立以系统能效最大化为目标函数的能效优化算法。研究资源分配算法，实现系统能效最大。完成系统能效函数与用户数、基站天线数之间关系的MATLAB仿真验证研究算法的有效性。本文的主要章节设置如下：
第一章介绍了课题研究的背景、意义以及国内外研究现状。从通信信息产业的未来发展角度出发，引出了大规模MIMO技术以及协作通信技术。
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