【摘要】：隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的快速發(fā)展,人類社會(huì)逐步進(jìn)入信息化時(shí)代。伴隨著海量終端的接入和更多樣化無線業(yè)務(wù)的出現(xiàn),人們對(duì)無線通信的需求日益增加,現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足人們對(duì)無線通信更加極致的要求,迫切需要提升無線通信系統(tǒng)性能。然而,無線通信系統(tǒng)性能的提升面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),包括但不限于頻譜資源有限、干擾日益嚴(yán)重、能量受限等多個(gè)方面。大規(guī)模天線技術(shù)作為多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的最新研究成果,能夠獲取巨大的通信自由度,實(shí)現(xiàn)極大的空間復(fù)用增益,消除系統(tǒng)干擾,從而大幅度提升頻譜效率和能量效率,被認(rèn)為是新一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,大規(guī)模天線技術(shù)將成為未來無線通信系統(tǒng)的重要組成部分,出現(xiàn)在多種多樣的無線通信場(chǎng)景中。然而,要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線技術(shù)的巨大潛力,仍有許多關(guān)鍵問題亟需解決。如何圍繞大規(guī)模天線系統(tǒng)中的時(shí)域、頻域、空域、功率域等無線資源,設(shè)計(jì)高效合理的資源管理分配方案,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的全面提升,是大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)用中非常重要的科學(xué)問題,也是本文研究的關(guān)鍵所在。本論文以大規(guī)模天線技術(shù)為核心,以提升系統(tǒng)頻譜效率和能量效率為目標(biāo),以時(shí)、頻、功率等資源的高效分配為技術(shù)手段,著重研究多個(gè)大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中的資源優(yōu)化管理方案,并與用戶關(guān)聯(lián)、分布式天線、能量收割等多種通信技術(shù)相結(jié)合。所研究的場(chǎng)景包括多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)、分布式大規(guī)模天線系統(tǒng)和基于大規(guī)模天線的無線信息與能量同傳系統(tǒng)。具體研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)簡(jiǎn)述如下:1)研究了多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)導(dǎo)頻資源分配策略。針對(duì)多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng),提出了通過合理分配系統(tǒng)中的導(dǎo)頻資源,降低導(dǎo)頻污染對(duì)系統(tǒng)可達(dá)速率的影響。通過將導(dǎo)頻分配問題建模并放松、轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題,設(shè)計(jì)出可以靈活分配導(dǎo)頻,實(shí)現(xiàn)最大化系統(tǒng)可達(dá)速率的優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明,本文提出的導(dǎo)頻資源分配方案可以有效提升系統(tǒng)可達(dá)速率,所實(shí)現(xiàn)的性能逼近通過遍歷搜索獲得的最優(yōu)導(dǎo)頻分配方案性能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算復(fù)雜度的大幅度降低。所提出的導(dǎo)頻分配策略可以靈活適應(yīng)不同長(zhǎng)度的導(dǎo)頻序列,更加適應(yīng)實(shí)際通信場(chǎng)景。該研究對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)頻分配的方案設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。2)研究了分布式大規(guī)模天線系統(tǒng)中最大化系統(tǒng)能量效率的資源分配、天線開啟和用戶關(guān)聯(lián)聯(lián)合優(yōu)化理論與方法。首先針對(duì)分布式系統(tǒng),推導(dǎo)了系統(tǒng)可達(dá)速率表達(dá)式,進(jìn)而結(jié)合更加實(shí)際的能量消耗模型,建立系統(tǒng)能量效率最大化問題。由于所建立的問題為混合整數(shù)規(guī)劃問題,難以直接求解,本文設(shè)計(jì)了聯(lián)合功率分配、天線開啟與關(guān)閉、用戶-基站關(guān)聯(lián)的迭代優(yōu)化算法,通過引入分層分解技術(shù)和連續(xù)凸逼近技術(shù),將原始分解、轉(zhuǎn)化為可以求解的凸問題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始問題的有效求解。此外,對(duì)所提出算法的收斂性和計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明,所提出的聯(lián)合優(yōu)化策略可以有效提升系統(tǒng)能量效率。同時(shí),結(jié)果表明,本研究提出的優(yōu)化策略可以在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下,有效降低基站激活的天線數(shù)目,從而降低功率資源的消耗。3)研究了大規(guī)模天線支持的無線信息與能量同傳系統(tǒng)可達(dá)速率優(yōu)化理論與方法。針對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)支持的無線信息與能量同傳系統(tǒng),推導(dǎo)了系統(tǒng)在萊斯信道中收割能量和可達(dá)速率的漸近表達(dá)式,從而建立和速率最大化問題和基于用戶公平性的最小速率最大化問題。由于所建立的問題是非凸非線性優(yōu)化問題,難以直接求解,提出了低復(fù)雜度的迭代優(yōu)化算法,聯(lián)合優(yōu)化功率分配、功率分割系數(shù)和信道估計(jì)的時(shí)間,分別實(shí)現(xiàn)和速率的最大化和最小速率的最大化。仿真結(jié)果表明,所提出的兩種優(yōu)化算法都可以獲得與遍歷搜索算法幾乎一致的系統(tǒng)性能,證明了所提出算法均可以獲得全局最優(yōu)解。本研究證明了大規(guī)模天線技術(shù)在無線信息與能量同傳系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN92
【圖文】：

信息解碼／能量收割逡逑圖１－２無線信息與能量同傳基本原理圖逡逑典型的ＳＷＩＰＴ系統(tǒng)如圖１－２所示。發(fā)送端發(fā)送信號(hào)為ｓ（ｒ），經(jīng)過無線信道ｈ逡逑后，接收終端天線接收到的信號(hào)為逡逑ｙ（0邋＝邋ｈｓ（0邋＋邋ｎ（0，邐（１－２１）逡逑其中，ｎ（0為信道中的加性高斯白噪聲。接收終端天線接收到的信號(hào)將被用于逡逑信息的解碼和能量的收割，以實(shí)現(xiàn)無線信息與能量的同時(shí)傳輸。具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)逡逑將在下一小節(jié)詳細(xì)介紹，此處，將介紹系統(tǒng)能量收割的性能。假設(shè)接收終端將逡逑電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為能量的效率為ｐ邋？ｅ（０，ｌ）。如果所有接收到的信號(hào)都用于逡逑能量的收割，則收割到的能量可以表示為逡逑Ｑ邋＝邋？Ｅ［｜｜ｈｓ（0邋＋邋ｎ（ｒ）｜｜２］．邐ｄ－２２）逡逑雖然接收終端可以收割所有類型的無線能量

無線通信資源限制下，研宄了多場(chǎng)景中大規(guī)模天線系統(tǒng)資源管理與優(yōu)化策略，逡逑旨在為未來無線通信系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。本文的總體研究思路如逡逑圖１－５所示。逡逑１．３．３論文組織結(jié)構(gòu)逡逑本文共由五個(gè)章節(jié)組成，組織結(jié)構(gòu)如下：逡逑第一章概括了本文的研究背景，簡(jiǎn)述了未來無線通信系統(tǒng)中通信需求日益逡逑增加與通信資源緊缺的矛盾，分析了解決此矛盾、提升系統(tǒng)頻譜效率和能量效逡逑率的關(guān)鍵技術(shù)手段，即大規(guī)模天線技術(shù)，從而明確了本文要研究的主要內(nèi)容。逡逑同時(shí)，本章講解了研宄中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，即大規(guī)模天線技術(shù)和無線信息與逡逑能量同傳技術(shù)。逡逑第二章研究了多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)中導(dǎo)頻污染問題，提出了通過逡逑合理分配導(dǎo)頻資源，降低導(dǎo)頻污染的影響，提升系統(tǒng)頻譜效率。設(shè)計(jì)了可以靈逡逑活分配導(dǎo)頻資源的低復(fù)雜度算法。逡逑■邋１５邋？逡逑

本文編號(hào)：2719099