12、5G 蜂窝网络中能量效率与频谱效率的权衡分析

5G 蜂窝网络中能量效率与频谱效率的权衡分析

1. 引言

在节能和降低运营成本的背景下，能量效率（EE）已成为蜂窝网络中的重要性能指标。根据香农容量定理，最大化 EE 和最大化频谱效率（SE）是相互冲突的目标，因此可以通过 EE - SE 权衡来联合研究这两个指标。本文旨在研究未来 5G 蜂窝网络中 EE 和 SE 之间的基本权衡，其中采用分布式多输入多输出（D - MIMO）方案来满足高数据速率要求。

2. EE - SE 权衡概述

2.1 EE - SE 权衡的概念

EE - SE 权衡概念可简单描述为在给定可用带宽的情况下，如何用 SE 表示 EE。根据香农容量定理，最大可实现 SE 或单位带宽信道容量 (C)（bit/s/Hz）是信噪比（SNR）(\gamma) 的函数：
[C = f(\gamma)]
其中 (\gamma = P/N) 是发射功率 (P) 与噪声功率 (N) 之比，(N = N_0W)，(N_0) 是噪声功率谱密度。

在一般情况下，(f(\gamma)) 是 (\gamma) 的增函数。若 (f(\gamma)) 是双射函数，则其可逆：
[\gamma = f^{-1}(C)]

例如，在加性高斯白噪声（AWGN）信道中：
[f(\gamma) = \log_2(1 + \gamma)]
[f^{-1}(C) = 2^C - 1]

发射功率 (P) 可表示为 (RE_b)，因此 SNR (\gamma) 可重新表示为 SE (S) 和 EE (C_J) 的函数：
[\gamma = \frac{P}{N_0W