本文關鍵詞：面向能效優(yōu)化的MIMO傳輸技術(shù)研究

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【摘要】：在全球能源危機的當下,無線通信系統(tǒng)的發(fā)展不再單純追求頻率效率、傳輸速率的提高,而是開始注重節(jié)能和能量效率。在此背景下能效通信成為當前的研究熱點。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術(shù)可以極大提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率,因此已經(jīng)被多個無線通信系統(tǒng)采用。在可以預見的未來,MIMO技術(shù)仍將是無線通信的主流技術(shù)。從能效角度看,MIMO系統(tǒng)可以用比單天線系統(tǒng)更低的發(fā)射功率達到相同的數(shù)據(jù)傳輸速率,因此被業(yè)界認為是提高無線網(wǎng)絡能效性能的候選技術(shù)。但是前期的MIMO技術(shù)研究重點為提高系統(tǒng)容量和頻譜效率,而較少關注能效優(yōu)化,因此MIMO技術(shù)和能效通信的結(jié)合是未來無線通信的一個重要發(fā)展方向。本論文將MIMO技術(shù)與能效通信的需求相結(jié)合,首先針對MIMO技術(shù)不同的應用場景,提出了相應的能效準則,為后續(xù)的研究工作打好了基礎。在新的能效評估準則基礎上,重點討論了單用戶MIMO (Single User-MIMO,SU-MIMO)系統(tǒng)的信道訓練策略,分布式MIMO系統(tǒng)的基站休眠機制,以及認知無線電(Cognitive Radio, CR)網(wǎng)絡中的協(xié)作頻譜檢測策略,提出了相應的創(chuàng)新性的能效優(yōu)化方案,并做了詳細的理論分析和性能仿真。本論文的主要工作和創(chuàng)新點如下：1、針對SU-MIMO系統(tǒng)的信道訓練策略進行建模,得到了能效優(yōu)化的信道估計訓練序列開銷。首先,分析了信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)的準確性和SU-MIMO系統(tǒng)能效之間的折中關系。然后,將信道訓練策略建模為二元優(yōu)化問題,在訓練功率和訓練時長約束下,尋求能效最優(yōu)的信道估計資源分配策略。最后,仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性并證明了所提信道訓練策略的能夠有效提高系統(tǒng)的能效性能。2、提出了網(wǎng)絡休眠機制的能效評估準則,分析了引入休眠機制后分布式MIMO系統(tǒng)的平均響應時間和平均功率,并求解出最優(yōu)休眠時長。首先,休眠機制可以有效減小無線通信網(wǎng)絡的能量消耗,但也會給系統(tǒng)帶來延時。為此本文提出了網(wǎng)絡休眠機制的能效評估準則,該準則綜合評估了休眠策略所帶來的延時和能量節(jié)省。第二,將具有休眠機制的分布式MIMO系統(tǒng)建模為基于空竭服務的多重休眠排隊模型,分析了引入休眠機制后系統(tǒng)的平均響應延遲和平均功率。第三,以優(yōu)化所提能效指標為目標,分析了系統(tǒng)的能效性能并求解出了最優(yōu)天線休假時長。最后,仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果相匹配,仿真結(jié)果還表明所提策略可以有效提高分布式MIMO系統(tǒng)基站側(cè)的能效性能,特別是在低業(yè)務量的場景下所提策略的優(yōu)勢更為明顯。3、提出了認知無線網(wǎng)絡中認知終端檢測的能效評估準則,并進-步提出了能效優(yōu)化的協(xié)作/聯(lián)合檢測終端分配和協(xié)作上報MIMO傳輸方案。首先,在綜合考慮檢測的準確性和能量消耗的基礎上,提出一個用于評估協(xié)作頻譜檢測策略能效性能的指標,并將這一指標推廣到聯(lián)合頻譜檢測策略中。第二,以優(yōu)化所提能效指標為目標,在協(xié)作頻譜檢測場景下,分析了參與協(xié)作頻譜檢測的最優(yōu)檢測終端個數(shù)。在聯(lián)合頻譜檢測場景下,提出了基于迭代貪婪算法的檢測終端分配方案。第三,為了進一步提高整體的檢測能效,在檢測終端分配策略的基礎上,提出了基于協(xié)作MIMO技術(shù)的頻譜檢測結(jié)果上報方案。然后建立協(xié)作上報方案的能耗模型并確定最優(yōu)的協(xié)作上報終端個數(shù)以最小化上報所需能耗。最后的仿真結(jié)果表明本文所提終端分配策略和協(xié)作上報方案可以有效提高CR網(wǎng)絡的能效性能。
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN919.3
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本文編號：1225509