隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,第5代移動通信(5G)系統(tǒng)不僅需要為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的服務(wù)質(zhì)量,還需要降低系統(tǒng)的開銷,實現(xiàn)綠色通信。然而,為了提高頻譜利用率,為用戶提供更高的速率,必須對系統(tǒng)資源進(jìn)行更高效的分配和優(yōu)化。同時,在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,即便采用微蜂窩或家庭基站,系統(tǒng)中基站的能耗仍然占到系統(tǒng)能耗的50%以上。因此,為了實現(xiàn)綠色通信,不僅需要定義衡量綠色通信的指標(biāo)、合理的網(wǎng)絡(luò)部署、提出低功耗的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),還需要結(jié)合一些新技術(shù)提高資源利用率。而云無線接入網(wǎng)絡(luò)(Cloud Radio Access Network,C-RAN)作為一種新的無線接入網(wǎng)架構(gòu),它將云計算應(yīng)用到無線接入網(wǎng)中,并結(jié)合集中、協(xié)作、云化、綠色等先進(jìn)技術(shù),是5G中實現(xiàn)綠色通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)之一。C-RAN能夠通過集中式的資源處理,根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,更有效地利用系統(tǒng)資源。協(xié)作多點(Coordinated Multi-Point,Co MP)傳輸與接收技術(shù)通過將干擾信號轉(zhuǎn)換為有用信號,能夠有效抑制同頻干擾。C-RAN中采用Co MP技術(shù),通過聯(lián)合波束成形設(shè)計,能夠大幅度地提高用戶的接收信干噪比(Signal Interference Noise Ratio,SINR),從而提升系統(tǒng)的傳輸性能。然而,在提高系統(tǒng)頻譜效率的同時,C-RAN也給無線通信網(wǎng)絡(luò)帶來了一系列的挑戰(zhàn),其中最直接的就是能耗問題。所以,C-RAN綠色通信的核心目標(biāo)是研究頻譜效率與能耗的折中,實現(xiàn)對能量效率(簡稱能效)的提升。在實際通信系統(tǒng)中,由于反饋帶寬受限、多普勒頻移、信道估計本身的不準(zhǔn)確性、導(dǎo)頻污染等因素,使獲得的信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)是非完美的,且非完美的CSI容易造成系統(tǒng)性能的惡化。因此,由于非完美CSI的引入,需要對波束成形進(jìn)行魯棒性設(shè)計。基于上述考慮,本文主要針對非完美CSI下C-RAN的能效優(yōu)化問題進(jìn)行魯棒性波束成形研究。首先,在給定用戶速率的情況下,針對C-RAN非完美CSI下功率最小化的波束成形問題,本文通過聯(lián)合基站模式、用戶連接和魯棒性波束成形設(shè)計來解決。本文利用壓縮感知中的組稀疏優(yōu)化理論,通過將問題轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃(Semidefinite Programming,SDP)問題,給出一種基于SDP的迭代組稀疏波束成形(Iterative Group Sparse Beamforming based SDP,IGSBF-SDP)算法,并證明了算法的收斂性。為了降低算法的計算復(fù)雜度,本文將問題轉(zhuǎn)化為SOCP(Second Order Cone Programming,SOCP)問題,并提出一種基于迭代差分凸函數(shù)法(Iterative Difference of Convex Function,IDC)的啟發(fā)式兩步選擇(IDC-SOCP)算法。該IDC-SOCP算法將IDC算法與二分法相結(jié)合來確定基站模式和用戶連接。最后,從算法收斂速度、功耗以及信道誤差對功耗的影響等方面驗證了算法的性能。其次,針對C-RAN非完美CSI且前饋鏈路容量受限情況下的以能效最大化為目標(biāo)的波束成形問題,本文通過聯(lián)合優(yōu)化波束成形和前饋壓縮來解決。為了得到該優(yōu)化問題的最優(yōu)解,本文提出一種基于分枝定界的最優(yōu)波束成形算法。盡管該最優(yōu)算法的計算復(fù)雜度高,但是它能為其他低復(fù)雜度的求解算法提供性能上界。為了降低計算復(fù)雜度,本文提出一種基于Dinkelbach的兩層分布式(Two Layer Distributed,TLD)波束成形迭代求解算法。其中,外層迭代通過二分法更新系統(tǒng)能效,而內(nèi)層迭代則通過塊坐標(biāo)下降(Block Coordinate Decent,BCD)算法和交替乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)算法相結(jié)合,以獲得問題分布式閉合解。最后,分析了基站最大發(fā)射功率、前饋鏈路容量以及信道誤差對能效的影響等驗證了提出算法的有效性。最后,對于C-RAN安全通信系統(tǒng),由于無線信道的廣播特性,竊聽終端接收并解調(diào)基站發(fā)射的信息,并且竊聽終端可能會發(fā)射信號影響正常用戶對信息的接收。因此,本文從信息論的角度,通過引入人工噪聲干擾竊聽終端,以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能。針對C-RAN安全通信系統(tǒng)中非完美CSI下以能效最大化為目標(biāo)的波束成形問題,在保證安全通信的情況下,本文通過聯(lián)合波束成形和人工噪聲設(shè)計來解決。本文首先給出一種基于分枝定界的最優(yōu)波束成形算法,給出該問題的性能上界。鑒于該最優(yōu)算法計算復(fù)雜度高,本文提出一種基于連續(xù)凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)的波束成形迭代求解算法。該SCA算法基于原始問題的上鏡圖,利用一階泰勒展開將非凸約束線性化,并利用S準(zhǔn)則將涉及到非完美CSI的約束轉(zhuǎn)化為凸約束,再進(jìn)行迭代求解。仿真結(jié)果表明,在保證安全通信的情況下,提出的SCA算法能夠獲得近似最優(yōu)的能效性能。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的目的和意義
        1.1.1 課題背景
        1.1.2 研究的目的和意義
    1.2 C-RAN中波束成形研究現(xiàn)狀分析
        1.2.1 基站模式與用戶連接選擇方法
        1.2.2 前饋壓縮技術(shù)
    1.3 安全通信系統(tǒng)中的波束成形
    1.4 主要研究內(nèi)容
    1.5 論文結(jié)構(gòu)
第2章 C-RAN中波束成形技術(shù)理論研究
    2.1 C-RAN的系統(tǒng)模型
        2.1.1 信號模型
        2.1.2 功率消耗模型
        2.1.3 能效模型
    2.2 非完美CSI模型及其處理方法
        2.2.1 非完美信道模型
        2.2.2 非完美CSI處理方法
    2.3 典型的基站模式與用戶連接選擇算法
        2.3.1 整數(shù)規(guī)劃松弛法
        2.3.2 組稀疏波束成形算法
    2.4 典型的能效優(yōu)化算法
        2.4.1 Dinkelbach法
        2.4.2 分枝定界法
        2.4.3 連續(xù)凸近似方法
        2.4.4 三種方法對比分析
    2.5 本章小結(jié)
第3章 聯(lián)合基站模式與用戶連接選擇的波束成形算法
    3.1 引言
    3.2 C-RAN節(jié)能系統(tǒng)模型
        3.2.1 C-RAN節(jié)能系統(tǒng)的信號傳輸模型
        3.2.2 C-RAN節(jié)能系統(tǒng)的信道模型和功率模型
        3.2.3 C-RAN節(jié)能系統(tǒng)功率優(yōu)化問題的建立
        3.2.4 功率優(yōu)化問題的可行性分析
    3.3 基于組稀疏波束成形的IGSBF-SDP算法
    3.4 基于整數(shù)規(guī)劃的IDC-SOCP算法
        3.4.1 SOCP問題轉(zhuǎn)化
        3.4.2 建模為整數(shù)規(guī)劃
        3.4.3 基站模式選擇算法
        3.4.4 用戶連接選擇算法
        3.4.5 算法復(fù)雜度分析
    3.5 仿真結(jié)果與性能分析
        3.5.1 仿真模型建立
        3.5.2 SINR對發(fā)送功率的影響分析
        3.5.3 算法收斂性分析
        3.5.4 SINR對算法性能的影響
        3.5.5 較大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的系統(tǒng)性能分析
    3.6 本章小結(jié)
第4章 基于前饋鏈路信號壓縮的波束成形算法
    4.1 引言
    4.2 基于前饋鏈路信號壓縮的C-RAN系統(tǒng)模型
        4.2.1 前饋鏈路信號壓縮數(shù)學(xué)模型
        4.2.2 基于前饋鏈路信號壓縮的能效優(yōu)化問題建立
    4.3 基于分枝定界的能效波束成形算法
    4.4 TLD波束成形算法的理論分析
        4.4.1 基于Dinkelbach的能效優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化
        4.4.2 TLD算法流程分析
        4.4.3 TLD算法的應(yīng)用分析
    4.5 仿真結(jié)果與性能分析
        4.5.1 算法的收斂性分析
        4.5.2 前饋鏈路容量對系統(tǒng)能效的影響
        4.5.3 最大發(fā)射功率對系統(tǒng)能效的影響
        4.5.4 靜態(tài)功耗對系統(tǒng)能效的影響
        4.5.5 用戶數(shù)對系統(tǒng)能效的影響
        4.5.6 信道誤差對系統(tǒng)能效的影響
    4.6 本章小結(jié)
第5章 C-RAN安全通信系統(tǒng)中的能效波束成形算法
    5.1 引言
    5.2 C-RAN安全通信系統(tǒng)模型
        5.2.1 C-RAN安全通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
        5.2.2 C-RAN安全通信系統(tǒng)能效優(yōu)化問題建立
    5.3 基于分枝定界的物理層安全波束成形算法
    5.4 SCA波束成形算法的理論分析
        5.4.1 SCA的凸近似轉(zhuǎn)化
        5.4.2 SCA算法流程
        5.4.3 SCA算法收斂性及計算復(fù)雜度分析
    5.5 仿真結(jié)果與性能分析
        5.5.1 收斂性分析
        5.5.2 基站最大發(fā)射功率對能效的影響
        5.5.3 ER解調(diào)門限對能效的影響
        5.5.4 ER數(shù)量對能效的影響
        5.5.5 信道誤差對能效的影響
    5.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個人簡歷

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本文編號：2858200