Skip to main content
SUPERVISOR
Ali-Mohamad Doost-Hoseini,Mohammad sadegh Fazel falavarjani
علی محمد دوست حسینی (استاد راهنما) محمدصادق فاضل فلاورجانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mahdi Eskandari
مهدی اسکندری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Resource Allocation and Antenna Selection for Energy-Efficient MIMO Systems
In this thesis, we investigate the energy efficiency (EE) problem in multiple-input multiple-output (MIMO) systems. First, different from conventional energy-efficient optimization approaches in point-to-point MIMO spatial multiplexing schemes that require iterative numerical algorithms, we derive an optimal solution in a closed form with less computational complexity, which provides a valuable insight upon the relation between the optimum EE and system parameters such as circuit power and channel conditions. Since perfect CSI at the transmitter needs additional radio resources, we also consider equal power loading scenario under perfect CSI at the receiver and limited feedback information at the transmitter as a means to save energy. To determine the best energy-efficient transmit antennas subset, we suggest a novel antenna selection algorithm with good performance and low complexity that enables us to achieve higher EE performance. Moreover, this thesis addresses energy efficiency optimization problems for downlink multiuser (MU) MIMO systems with block-diagonal (BD) transceivers, subject to a joint power and rate constraints for each user.
روند رو به رشد سامانه‌‌ها و شبکه‌های ارتباطی، به ویژه سامانه‌‌های رادیویی و سیار، و تلاش صنایع مخابراتی و فناوری اطلاعات جهت افزایش سرعت انتقال داده و بهبود کیفیت خدمات، سبب افزایش مصرف انرژی الکتریکی شده است؛ به طوری که پیش بینی می‌شود، مصرف انرژی در این صنعت، به طور تقریبی هر پنج سال، دو برابر گردد. ازدیاد مصرف انرژی الکتریکی علاوه بر افزایش هزینه، مشکلات زیست محیطی نظیر گرم شدن زمین را به دنبال دارد. بنا بر این، شاخصه‌ای جدید با نام کارایی انرژی، با تعریف تعداد بیت ارسالی در واحد انرژی، در طراحی سامانه‌های مخابراتی مطرح شده است. عناوینی چون مخابرات سبز و یا رادیوی سبز، بیانگر چنین نگرشی است. اهمیت این موضوع به حدی است که پروژه‌های بزرگ صنعتی - دانشگاهی در این زمینه انجام شده است و این عامل به عنوان یکی از پارامترهای طراحی شبکه‌های مخابراتی نسل بعد در نظر گرفته شده است. تا کنون، تلاش‌های بسیاری برای افزایش کارایی طیفی شبکه‌های ارتباطی صورت گرفته است. با این وجود، افزایش کارایی طیفی به دلیل وجود توان مصرفی مدارهای فرستنده و گیرنده، لزوما منجر به افزایش کارایی انرژی نمی‌شود. لذا، تلاش محققان، طراحی سامانه‌‌های مخابراتی با کارایی طیفی مناسب و کارایی انرژی مطلوب است. ظرفیت سامانه‌‌ چندآنتنی، در مقایسه با سامانه‌ تک‌آنتنی، به دلیل وجود کانال‌های متعدد بین آنتن‌های فرستنده و گیرنده بیشتر است. این افزایش نرخ ارسال، مورد توجه طراحان سامانه‌‌های ارتباطی بوده است؛ به طوری که در سامانه‌‌های مخابراتی نظیر شبکه‌های محلی بی‌سیم و شبکه‌های مخابرات سلولی مورد استفاده قرار گرفته است. از سوی دیگر، سامانه‌‌های چندآنتنی، به دلیل تعدد آنتن‌های فرستنده و گیرنده و مدارهای مربوطه، می‌تواند توان بیشتری نسبت به سامانه‌‌های متداول تک‌آنتنی مصرف نماید و بنا بر این، باید مصالحه‌ای بین کارایی طیفی و مصرف توان در این سامانه‌‌ها شکل بگیرد. در این تحقیق، به مساله بهینه‌سازی کارایی انرژی در سامانه‌ چندآنتنی می‌پردازیم. این مساله، شامل بررسی تخصیص توان بهینه به هر زیرکانال با هدف بیشینه‌سازی کارایی انرژی است. بدین منظور در این تحقیق، کارایی انرژی سامانه‌ چندآنتنی را به شکل رابطه‌ای بسته ارائه می‌دهیم که علاوه بر کاهش پیچیدگی محاسباتیِ حل مساله بهینه‌سازی نسبت به روش‌های تکراری مرسوم، رابطه‌ بین کارایی انرژی و پارامترهای سامانه‌ را به صراحت بیان می‌کند. همچنین، در ادامه به بررسی مساله زیربهینه تخصیص یکسان توان به زیرکانال‌ها می‌پردازیم و با استفاده از نتایج مساله اصلی، راه حلی جهت افزایش کارایی انرژی ارائه می‌دهیم. در سامانه‌‌های چندآنتنی، از یک سو کاهش تعداد آنتن‌های فرستنده سبب کاهش توان مصرفی می‌شود. از سوی دیگر، وجود تعدد آنتن و بهره‌گیری از روش انتخاب آنتن و گزینش آنتن‌هایی با شرایط کانال مطلوب، می‌تواند منجر به افزایش کارایی طیفی گردد. در نتیجه، الگوریتم انتخاب آنتن‌های فعال می‌تواند کارایی انرژی سامانه‌‌های چندآنتنی را افزایش دهد. با بهره‌گیری از رابطه‌ بسته به دست آمده، الگوریتمی زیربهینه حهت انتخاب آنتن‌های فعال ارائه می‌دهیم که با وجود پیچیدگی محاسباتی بسیار کم، عملکردی نزدیک به بهینه، طبق نتایج شبیه‌سازی، از خود نشان می‌دهد. در سامانه‌‌های چندکاربری، منابع سامانه‌ میان کاربران توزیع می‌شود. در این میان، سامانه‌‌های چندآنتنی چندکاربری به دلیل داشتن ویژگی‌های چندآنتنی نظیر افزایش ظرفیت، قابلیت اطمینان و استفاده از تقسیم فضایی، توانایی بهتری در استفاده از منابع ارزشمند مخابراتی دارد و از نامزدهای به کارگیری در مخابرات سلولی نسل بعد به شمار می‌روند. از سوی دیگر، طراحی این نوع سامانه‌، به دلیل وجود تداخل درون سلولی و برون سلولی، پیچیدگی پردازشی بیشتری نسبت به سامانه‌‌های متداول دارد. نحوه‌ تخصیص توان کاربران، انتخاب نوع آشکارسازی، انتخاب پیش کدگذار، آرایش و تعداد ایستگاه‌های پایه، تعداد کاربران و ... بر کارایی انرژی تاثیر گذار خواهد بود. بنا بر این، در ادامه پژوهش، به بررسی کارایی انرژی سامانه‌‌های چندآنتنی‌ چندکاربری با پیش ‌کدگذار قطری‌ساز قالبی می‌پردازیم. با بهره‌گیری از این پیش ‌کدگذار و حذف تداخل درون سلولی کاربران، داده هر کاربر را می‌توان مانند داده دریافتی یک ارتباط چندآنتنی تک‌کاربری آشکارسازی نمود. هرچند مساله بیشینه‌سازی کارایی انرژی در این حالت، مشابه مساله بیشینه‌سازی کارایی انرژی سامانه چندآنتنی تک‌کاربری است و روش‌های پیشنهادی در این رساله، برای حل مساله قابل اعمال است، اما وجود قیدهایی روی نرخ داده و توان اختصاص یافته به هر کاربر و توان ارسالی ایستگاه پایه، حل مساله را دشوار می‌سازد. در این راستا، با ساده‌سازی و جایگزینی قیدهای مساله، روشی تکراری با پیچیدگی بسیار کم جهت تخصیص توان بهینه به کاربران و یافتن کارایی انرژی بهینه ارائه می‌گردد. p, li { white-space: pre-wrap; }

ارتقاء امنیت وب با وف بومی