аспирант кафедры мультимедийных технологий и телекоммуникаций Московского физико-технического института (национального исследовательского университета)
доктор технических наук, профессор, профессор РАН, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой мультимедийных технологий и телекоммуникаций Московского физико-технического института (национального исследовательского университета)
В работе исследуется компромисс между энергетической и спектральной эффективностью в многосотовых системах massive MIMO. Актуальность исследования обусловлена необходимостью одновременного повышения пропускной способности и снижения энергопотребления базовых станций в беспроводных сетях следующего поколения при росте числа антенн и обслуживаемых пользователей.
Цель исследования. Выявить влияние числа антенн базовой станции, количества обслуживаемых пользователей, схем линейной обработки сигналов и параметров аппаратной реализации на энергетическую эффективность многосотовых систем massive MIMO и определить конфигурации, обеспечивающие наилучший компромисс между энергетической и спектральной эффективностью.
Используемые методы. В статье разработана математическая модель системы massive MIMO, учитывающая число антенн базовой станции M, количество пользовательских устройств K, а также различные схемы линейной обработки сигналов (MR, ZF, RZF, S-MMSE, M-MMSE). В модель включены параметры потребляемой мощности, отражающие особенности аппаратной реализации, рассмотренные в виде двух наборов характеристик элементной базы. Оценка энергетической и спектральной эффективности выполнена на основе имитационного моделирования для различных конфигураций системы.
Результаты. Показано, что оптимальное соотношение числа антенн к количеству пользователей M/K ≈ 3–4 обеспечивает максимальную энергетическую эффективность без существенного снижения спектральной производительности. Установлено, что алгоритмы M-MMSE и S-MMSE демонстрируют наилучшие показатели энергетической эффективности при умеренной вычислительной сложности, особенно при использовании улучшенной аппаратной базы. Полученные зависимости подтверждают наличие выраженного оптимума энергетической эффективности при увеличении числа антенн базовой станции.
Новизна работы заключается в комплексном анализе компромисса между энергетической и спектральной эффективностью в многосотовых системах massive MIMO с одновременным учетом схем линейной обработки сигналов и параметров аппаратной реализации, что позволяет обосновать практические рекомендации по выбору конфигурации базовых станций в условиях технологических ограничений.
Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании и оптимизации энергоэффективных многосотовых систем massive MIMO для беспроводных сетей связи следующего поколения с учетом технологических ограничений аппаратной реализации и требований к качеству обслуживания.
This paper investigates the trade-off between energy efficiency and spectral efficiency in multi-cell massive MIMO systems. The relevance of the study is driven by the need to simultaneously increase throughput and reduce the energy consumption of base stations in next-generation wireless networks, given the growing number of antennas and served users.
The purpose of the study is to determine how the number of base-station antennas, the number of served users, linear signal processing schemes, and hardware implementation parameters affect the energy efficiency of multi-cell massive MIMO systems, and to identify configurations that provide the best trade-off between energy and spectral efficiency.
Methods. A mathematical model of a massive MIMO system is developed, taking into account the number of base station antennas M, the number of user equipment K, and various linear signal processing schemes, including MR, ZF, RZF, S-MMSE, and M-MMSE. The model incorporates power consumption parameters reflecting hardware implementation characteristics, represented by two different sets of component specifications. The evaluation of energy and spectral efficiency is carried out using simulation-based analysis for various system configurations.
Results. The results show that an optimal antenna-to-user ratio of M/K ≈ 3–4 achieves maximum energy efficiency without a significant reduction in spectral efficiency. It is demonstrated that the M-MMSE and S-MMSE algorithms provide the highest energy efficiency performance with moderate computational complexity, particularly when improved hardware components are employed. The obtained results confirm the existence of a pronounced energy efficiency optimum as the number of base station antennas increases.
The novelty of this work lies in the comprehensive analysis of the energy–spectral efficiency trade-off in multi-cell massive MIMO systems while jointly accounting for linear signal processing schemes and hardware implementation parameters, which enables the formulation of practical recommendations for base station configuration under technological constraints.
Practical significance. The findings of this study can be applied to the design and optimization of energy-efficient multi-cell massive MIMO systems for next-generation wireless communication networks, taking into account hardware implementation constraints and quality-of-service requirements.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.