摘 要摘 要随着世界无线通信技术的愈见成熟，通信网络规模的日益增长，无线通信设备的能量消耗愈来愈多，多媒体应用需求和高数据传输速率要求也在不断增加。在全球能源危机的当下,无线通信系统的发展不再仅仅追求提高频率效率、传输速率而已,人们已经开始更加注重节能和能量效率。在此背景下面，能效通信成为当前的研究热点。大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术提升了系统的频谱效率，所以目前，该技术已经被许多无线网络通信系统所使用。在不久的将来，大规模MIMO技术仍然还会是无线网络通信的主流技术。同时，由于通信系统的收发天线数量巨量变多还有移动用户终端节点的急速增加，随之而来的各种能量消耗也以指数级变大。因而，怎样有效地减少大规模MIMO通信系统的能量消耗也广受人们关注。不单单如此，以优化系统扩张性能、充分使用无线资源、减少单位比特损耗为目的，异构分布式协作网络技术成为了热门话题并取得了世界愈加广大的关注。本文是对大规模MIMO异构网络中能效资源分配算法进行研究。在使用ZF(zero-forcing)预编码的同时思考同层甚至跨层之间干扰的情况下，最开始求出了系统的容量下界，从而在可接受的干扰水平约束的情况下，用最大化系统能效下界作为基准构架优化模型。以变换宏基站的天线数量的方式，可以得到宏基站的发射功率还有小小区接收点的发射功率的优化函数。仿真结果证明，该算法不但拥有更好的能效性能，还具有相对低的复杂度。关键词大规模MIMO；异构蜂窝网络；能效；资源分配；ZF预编码
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 大规模MIMO与异构蜂窝网络的国内外研究现状 2
1.2.1 大规模MIMO技术的研究现状 2
1.2.2 系统能效优化问题的研究现状 4
1.2.3 异构蜂窝网络技术的研究现状 5
1.3 本文的结构及主要内容 5
第二章 大规模MIMO技术与能效资源分配优化 7
2.1大规模MIMO技术简介 7
2.2大规模MIMO技术的特点 9
2.3 能效资源分配优化理论简介 10
2.4 能效问题及资源分配的重要性 11

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第三章 异构蜂窝网络 12
3.1异构蜂窝网络介绍 12
3.2 异构蜂窝网络中的分布式资源分配特点 13
3.3 异构蜂窝网络发展中的能效问题 14
第四章 大规模MIMO异构蜂窝网络中能效资源分配算法 16
4.1 仿真平台简介 16
4.2 系统模型与问题描述 16
4.3能效资源分配算法 22
4.4 仿真结果与分析 23
第五章 总结和展望 27
致 谢 28
参考文献 29
附 录 32
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
近年来，随着无线通信技术和各种新兴技术的飞速发展，通信网络的规模迅速扩大，多媒体应用的需求和高数据的传输速率要求也迅速增加。然而在现实的实际系统中，由于严重的小区之间存在的干扰和愈加增高的数据传输要求，所有人的研究焦点终于转向了大规模MIMO技术。与传统MIMO技术相比较，大规模MIMO技术除了能够明显地改善通信质量、提升系统频谱效率之外，还能够成功地使干扰消除的复杂度及基站发送功率降低。
大规模MIMO技术能够非常大地提高无线通信的频谱效率,因而已经被许多无线通信系统所采用。可以预测,在不久的未来，MIMO技术依旧将是无线通信技术的主流。再者，从能效上看,MIMO系统能够用相比单天线系统低得多的发射功率而达到一样的数据传输速率,因而被业界普遍当作是提升无线网络能效性能最佳的候选技术。然而前期的MIMO技术研究重点是提高系统的容量和频谱效率,却较少注重能效优化,因而MIMO技术与能效通信的结合将成为将来无线通信技术的一个相当重要的发展方向。
而作为无线高速通信网络传输的基础技术——MIMO在其理论基础上、算法研究上、性能改良上还有技术实现上等都被各国学者深入地探讨和研究着。在MIMO系统上，理论基础和性能研究方面己经有不少学者发表了很多相关的文献。在这众多的文献中，因为无线移动通信MIMO的信道是一个不平稳的且随时间变化的多输入多输出网络系统，目前仍然有着大量问题等待解决。
在大规模MIMO技术发展的基础上，异构网络又有以下优点：基于异构网络融合，能够根据网络的特点、用户的特点以及业务特点，为用户提供最为合适的网络，从而提供更加完善的QoS(Quality of Service)服务。在异构蜂窝网络中，在微蜂窝使用大规模MIMO技术、宏蜂窝使用传统多天线技术时，而系统使用频段分离的TDD(Time Division Duplexing)工作方式之时，系统不但能够满足下一代网络通信系统的高速率通信需求，甚至能够有效地避免异构网络中的小区间干扰。接下来以LTEA作为例子简单地讲述下异构蜂窝网络架构。
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图11 LTEA异构蜂窝网络架构
异构蜂窝网络将是将来网络部署的关键性技术，被工业和学术界的研究者投入了愈来愈多的关注，并且进行深入的研究。然而，异构蜂窝网络中因为有着各种各样的节点，对网络配置规划与网络布置、能效资源分配和频谱管理、干扰和移动性网络监管等问题均提出了重大挑战。不仅如此，在无线通信行业如今备受关注的还有绿色节能技术，动态网络拓扑已经成为了目前通信网络研究的重点。而对于异构蜂窝网络，怎样进行简单有效的网络配置，怎样完善各类网络节点的相对位置和相对密度，使其在保证用户业务服务需求的同时，尽可能地使能量消耗降低，将是一个值得研究的难点。
1.2 大规模MIMO与异构蜂窝网络的国内外研究现状
1.2.1 大规模MIMO技术的研究现状
我国经济的迅速发展和科学技术的不断进步,让现代化信息技术获得了长足的发展,甚至渐渐渗入到社会生活中的各个领域之中。直到最新推出的第四代移动通信技术（4G），它的数据业务传输速率直达每秒百兆甚至于千兆比特，因而能够在大程度上满足以后一段时期内移动通信应用的需求。紧接着，随着智能终端的大量使用以及移动网络新服务需求上的持续提升，无线网络传递速率要求目前以指数不断上升，直至2020年，无线网络通信传输的速率要求将变为现在正在各大网络移动运营系统的千倍之多，可以支撑甚至每秒千兆比特传输速率的4G移动网络通信系统，但是依旧不能满足未来移动网络通信的需要。
对于4G之后移动网络通信的进步，为了改良系统笼罩的性能、提高无线资源能效利用率、大量降低单位比特能耗，异构分布式协作的网络技术以及智能组织组网络技术受到业界比之前更为广泛的关注。
然而，在现在典型的小区设置与固定的节点天线个数配置的条件下，全球各地的研究者均表示，MIMO无限通信传输系统将存在传输功率、传输效率与频谱难以提升的“瓶颈”问题。由于这个原因，研究者们提出，如果在各节点用许多大规模阵列天线替换现在使用的多天线，形成大规模MIMO无线网络通信环境，用来深度挖掘、使用空间维度的无线资源，改良完善未来移动网络通信的频谱与传输功率、传输效率等问题。

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