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多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术是移动通信系统的一项关键技术。随着有源天线阵列(AAS)的广泛应用,人们将二维MIMO信道模型扩展到能更精确模拟实际环境的三维MIMO信道。3D MIMO技术可以充分利用垂直维的自由度,进一步抑制了小区间同频用户的干扰,得到了学者的广泛关注。在3D MIMO下行链路传输过程中,小区用户间仍会受到干扰,为了满足用户对高速率的需求,减少小区用户间的干扰,人们引入了协作多点传输(Coordinated Multi-Point transmission/reception,CoMP)技术来解决干扰。目前,3D MIMO技术研究的重点为提高系统吞吐量和频谱效率,而对于能量效率关注较少,因此,3D MIMO技术与能量效率优化问题结合也是未来移动通信研究的重点。本文以3D MIMO系统下行链路传输场景为研究对象,分别就提高系统频谱效率和能量效率进行了如下两方面的研究:(1)基于量子菌群算法的3D MIMO下行链路传输优化方案。在3D MIMO下行链路传输过程中,分配给用户的功率、波束的下倾角、是否引入联合传输技术等因素均会影响系统总的吞吐量和小区边缘用户的频谱效率。因此,为了进一步提高系统总的频谱效率和小区边缘用户的频谱效率,提出了一种下行链路传输优化方案。方案以系统总的频谱效率为优化目标,以功率和两个波束下倾角为约束条件,构建了一个非凸优化问题,并利用量子菌群算法求出了最优解。仿真结果表明,所提传输方案取得了较好的系统总的频谱效率和小区边缘用户的频谱效率性能。(2)3D MIMO-OFDMA下行系统基于垂直波束赋形的能效优化资源分配算法。针对3D MIMO-OFDMA下行链路单小区多用户通信系统,提出了一种能效最优的资源分配算法。所提算法在垂直波束赋形技术下,以能量效率最大化为目标,通过调整资源分配、功率分配、波束下倾角来提高系统能量效率。根据分数优化理论,将复杂的分数优化问题转化为较易求解的整式优化问题,然后引入拉格朗日算子通过不断迭代得到能量效率的最优值。仿真结果表明,所提算法在较少迭代次数下求得了较高的系统能量效率值。