5G移動(dòng)通信的若干關(guān)鍵技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間：2020-07-09 09:59

【摘要】：近年來,隨著移動(dòng)用戶數(shù)量的迅速增加以及新型無線多媒體服務(wù)的不斷出現(xiàn),可以實(shí)現(xiàn)頻譜效率和數(shù)據(jù)速率提升的第五代(5th Generation,5G)移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的雙工通信技術(shù)主要有時(shí)分雙工(Time Division Duplex,TDD)模式和頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)模式兩種。TDD是在同一頻率上的不同時(shí)隙分別進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收。而FDD則可以在同一時(shí)間上利用兩個(gè)不同的頻段進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收。全雙工(Full-duplex,FD)通信可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻的信息傳輸,理論上使系統(tǒng)頻譜效率倍增,因此其已成為5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技術(shù)都是在時(shí)域、頻域和碼域三個(gè)無線資源維度上為單個(gè)移動(dòng)用戶分配單一的無線資源,不同用戶的傳輸資源是相互正交的。作為5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技術(shù)允許多個(gè)用戶在相同的時(shí)頻資源上承載信息,不同用戶的傳輸資源是非正交的,各用戶的信息可以混疊在一起進(jìn)行傳輸。因此NOMA技術(shù)可以進(jìn)一步提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率并增加系統(tǒng)的可服務(wù)移動(dòng)用戶數(shù)。同時(shí),未來的5G網(wǎng)絡(luò)需要支持巨大的數(shù)據(jù)連接量,僅依靠單一的組網(wǎng)架構(gòu)很難滿足各種場景的移動(dòng)接入。毫微微小區(qū)(Femtocell)可以通過密集部署的方式提升5G網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率,提高移動(dòng)用戶服務(wù)質(zhì)量,有效降低宏基站負(fù)載。本文將主要圍繞全雙工通信技術(shù)、NOMA技術(shù)和Femtocell技術(shù),進(jìn)行提高5G移動(dòng)通信系統(tǒng)容量和頻譜效率的研究。本文主要工作概括如下:1.提出了無線全雙工網(wǎng)絡(luò)中兩階段競爭的全雙工媒體接入控制(Two-Stage Contention Full-Duplex Medium Access Control,TF-MAC)協(xié)議。TF-MAC協(xié)議由請(qǐng)求發(fā)送/全雙工允許發(fā)送/允許發(fā)送(Request to Send/Full-duplex Clear to Send/Clear to Send,RTS/FCTS/CTS)握手機(jī)制和全雙工退避算法共同構(gòu)成。RTS/FCTS/CTS握手機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)利用短控制幀碰撞替代長數(shù)據(jù)幀碰撞,不僅支持兩節(jié)點(diǎn)無線全雙工雙向鏈路、三節(jié)點(diǎn)無線全雙工非對(duì)稱鏈路和傳統(tǒng)無線半雙工鏈路,還解決了全雙工通信中隱藏節(jié)點(diǎn)的問題。全雙工退避算法可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎哺怕?并增加了全雙工通信鏈路建立的機(jī)會(huì)。最后,通過采用級(jí)聯(lián)的馬爾科夫模型對(duì)所提出的TF-MAC協(xié)議進(jìn)行分析,得到無線全雙工網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量閉式解。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的TF-MAC協(xié)議的有效性,采用TF-MAC協(xié)議的無線全雙工網(wǎng)絡(luò)性能有較大的提升。2.面向一種協(xié)作NOMA系統(tǒng)模型,首先分析了協(xié)作NOMA系統(tǒng)的頻譜利用率,并構(gòu)建了該協(xié)作NOMA系統(tǒng)的能量效率函數(shù)。接著給出了用戶組隊(duì)方案以降低協(xié)作NOMA系統(tǒng)的復(fù)雜度和信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)交互量。最后,仿真分析了協(xié)作NOMA系統(tǒng)的性能。對(duì)于該協(xié)作NOMA系統(tǒng),頻譜利用率隨移動(dòng)用戶數(shù)的增加而減小,能量效率隨發(fā)射功率的增加先增加后減少。當(dāng)電路消耗功率越大時(shí),NOMA系統(tǒng)最大能量效率所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)發(fā)射功率也越大。從而驗(yàn)證了該協(xié)作NOMA系統(tǒng)的優(yōu)越性及用戶組隊(duì)方案的有效性。3.在采用正交頻分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技術(shù)的Femtocell網(wǎng)絡(luò)中,為避免家庭用戶對(duì)使用同一子載波的宏用戶及其他家庭用戶的過度干擾并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率資源的的合理利用,采用非合作博弈和演化博弈相結(jié)合的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模,提出了一種基于雙層博弈功率控制及子載波選擇的聯(lián)合分布式算法。該算法分為兩層:第一層用非合作子博弈來進(jìn)行家庭用戶發(fā)送功率的控制,第二層用演化子博弈來進(jìn)行家庭用戶子載波的選擇。通過采用該分布式算法,家庭用戶交替進(jìn)行發(fā)送功率的調(diào)整和子載波的選擇,最終使系統(tǒng)達(dá)到雙層博弈的納什均衡。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該雙層博弈分布式算法可以使系統(tǒng)收斂至納什均衡,實(shí)現(xiàn)了家庭用戶最優(yōu)發(fā)送功率的選擇和系統(tǒng)子載波的均衡利用。4.在多源多中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中,為避免協(xié)助同一源節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)之間過度干擾并實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的效用最大化,提出了一種基于雙層博弈的中繼節(jié)點(diǎn)功率控制和源節(jié)點(diǎn)選擇的聯(lián)合分布式算法。該算法在雙層博弈框架下通過中繼節(jié)點(diǎn)功率控制的非合作子博弈和源節(jié)點(diǎn)選擇的演化子博弈交替迭代,優(yōu)化了中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率,抑制了中繼節(jié)點(diǎn)間相互干擾,并實(shí)現(xiàn)了中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)的合理選擇。通過理論推導(dǎo)證明了雙層博弈納什均衡的唯一存在性。仿真結(jié)果表明所提出的雙層博弈聯(lián)合分布式算法可以實(shí)現(xiàn)多源多中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.5
【圖文】：

比較圖,全雙工傳輸,全雙工,半雙工

1下的全雙工網(wǎng)絡(luò)和半雙工網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量比較圖3.7比較了全雙工傳輸情形1的全雙工網(wǎng)絡(luò)和采用RTS/CTS模式的半雙工網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量。對(duì)于全雙工傳輸情形1（τRT S1= τRT S2），全雙工網(wǎng)絡(luò)和半雙工網(wǎng)絡(luò)的歸一化吞吐量均隨τRT S1的增加而減小。這是由于節(jié)點(diǎn)在競爭第一階段傳輸?shù)膫鬏?0

全雙工,歸一化吞吐量,半雙工,網(wǎng)絡(luò)性能

圖3.9全雙工傳輸情形3下的全雙工網(wǎng)絡(luò)和半雙工網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量比較出，無論是全雙工網(wǎng)絡(luò)還是半雙工網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量是隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)而減小，10節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量均比30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量大。

算法流程圖