日益普及的智能移動終端對便捷通信的需求推動著無線通信新技術的迅猛發(fā)展。云無線接入網(C-RAN,Cloud Radio Access Network)作為一種新型網絡架構,將傳統(tǒng)基站的基帶處理和無線傳輸功能從地理位置上分隔開,構成一種遠端射頻單元通過前傳鏈路連接至基帶處理單元的集中式架構。該架構能夠以虛擬多輸入多輸出的方式進行小區(qū)間協作多點傳輸,獲得空間分集增益。但同時,C-RAN全新的架構也帶來了一些技術應用層面的挑戰(zhàn),體現在如下幾個方面:一是C-RAN的大規(guī)模部署傾向于使用低成本的無線收發(fā)機硬件,導致系統(tǒng)內存在收發(fā)機硬件減損,在協作信號的收發(fā)過程中引入硬件畸變噪聲,嚴重影響系統(tǒng)性能的提升。二是C-RAN的協作多點傳輸需要在地理上分散的天線之間共享信道狀態(tài)信息以及終端數據,當協作規(guī)模較大時上述數據量極為龐大,即使采用光纖前傳鏈路作為傳輸通道也面臨著極大的壓力。三是在光纖前傳鏈路不可達的區(qū)域,C-RAN通常使用無線通道作為前傳鏈路,迫切需要靈活高效地分配有限的無線前傳鏈路帶寬,有效支撐信道狀態(tài)信息以及終端數據在天線間的共享。鑒于此,本論文針對C-RAN的協作多點傳輸,通過對天線、前傳鏈路帶寬以及發(fā)射功率等資源的高效分配來優(yōu)化系統(tǒng)性能,達到最大程度抑制干擾、增加容量、降低能耗的目的。具體開展如下研究:(1)C-RAN網絡架構以及性能優(yōu)化模型。對C-RAN以及傳統(tǒng)移動通信網絡的架構以及信號傳輸流程進行對比,以頻譜效率和能量效率作為系統(tǒng)利用頻譜以及能量的效率評價參數。分析小區(qū)間干擾對系統(tǒng)性能的影響,明確聯合處理、協作波束成形、協作靜默三類協作多點傳輸的工作機制。重點對聯合處理的原理進行分析,將其建模為優(yōu)化問題并求得最優(yōu)解的結構,通過漸近性分析得到特殊場景的預編碼優(yōu)化策略,為后續(xù)研究提供理論基礎。(2)針對使用低成本收發(fā)機硬件的C-RAN協作多點傳輸,提出存在收發(fā)機硬件減損的協作魯棒性優(yōu)化策略,解決硬件減損導致的系統(tǒng)性能下降問題。建立無線收發(fā)機的硬件減損模型,計算硬件畸變噪聲,分析其對協作多點傳輸的信道估計和數據收發(fā)的影響,并基于信道容量下界構建了旨在提升系統(tǒng)最差能量效率性能的多目標優(yōu)化問題。將該問題利用帕雷托思想轉換為單目標優(yōu)化問題,并提出基于KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件的迭代算法進行求解,得到協作功率的最優(yōu)分配值,實現協作多點傳輸對于收發(fā)機硬件減損的魯棒性。(3)針對使用光纖前傳鏈路的C-RAN協作多點傳輸,提出高能量效率的非對稱協作優(yōu)化策略,解決大規(guī)模協作時光纖前傳鏈路嚴重受限以及系統(tǒng)能耗高的問題。綜合考慮協作復雜度以及低能耗的綠色通信需求,非對稱地選擇參與協作的天線。同時,引入適用于C-RAN的能耗模型,提出與協作復雜度相關的基帶信號處理以及前傳鏈路的能耗計算機制。在此基礎上,搭建滿足凸性的能量效率優(yōu)化問題,利用詹森不等式(Jensen's inequality)將目標函數轉換為其下界值,并提出聯合優(yōu)化求解方法,通過分步迭代求得最優(yōu)的協作天線數以及分配功率,實現前傳鏈路帶寬受限時高能量效率的大規(guī)模協作。(4)針對使用無線前傳鏈路的C-RAN協作多點傳輸,提出基于背包算法的前傳鏈路帶寬分配優(yōu)化策略,滿足無線前傳鏈路資源在協作天線間的靈活分配需求。搭建無線協作以及無線前傳的鏈路模型,在二者之間建立耦合關系,通過定義鏈路協作貢獻度將無線前傳鏈路帶寬的分配建模為以鏈路協作貢獻度為收益、以無線前傳鏈路帶寬為體積的背包優(yōu)化問題。利用虛擬天線將該問題轉換為可求解的0-1背包問題,并提出基于遞歸分治的動態(tài)規(guī)劃算法,引入強制背包與可選背包,在保障終端信號干擾噪聲比要求的同時以低空間復雜度最優(yōu)地分配無線前傳鏈路帶寬,實現C-RAN使用無線前傳時協作多點傳輸性能的提升。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN92
【部分圖文】：

鏈路、天線、功率等資源進行分配，實現ＣｏＭＰ性能的聯合優(yōu)化，提升頻譜效??率與能量＇效率。??本文研宄將圍繞Ｃ－ＲＡＮ中協作多點傳輸的性能優(yōu)化需求，從如圖１－３所??示的四個方面開展：（１）?Ｃ－ＲＡＮ網絡架構以及工作機制、性能優(yōu)化模型。該??部分內容為后續(xù)研宄提供理論基礎與前提。（２）存在收發(fā)機硬件減損的協??作魯棒性優(yōu)化。該部分內容針對使用低成本收發(fā)機硬件的Ｃ?－ＲＡＮ協作多點傳??輸場景，旨在解決硬件減損導致的系統(tǒng)性能下降何題。（３）高能量效率的非??對稱協作策略優(yōu)化。該部分內容針對使甩光纖前傳鏈路的Ｃ－ＲＡＮ協作多點傳??輸場景，旨在解決大規(guī)模協作時光纖前傳鏈路嚴望受限以及系統(tǒng)能耗高的問??題。（４）基于背包算法的前傳鏈路帶寬分配優(yōu)化。該部分內容針對使用無線??前傳鏈路的Ｃ－ＲＡＮ協作多點傳輸場景，旨在解決無線前傳鏈路資源在協作天??線間的靈活分配問題。??■翁罐＾?核心網ＣＮ??ＷｍｍＭｍｍｉ???ｓ帶處理單元???Ｌ?１?Ｖｂｂｕ?（ＣＵ／ＤＵ）??網絡架構及?／ｖ／?＼?基于背包算法的前傳??．工作機制?／＾／?鏈路帶寬分配優(yōu)化??（第二章）?ｍ?＇（ｇ）?（第五章）??人淺工?遠端麵

Ｆｉｇ．?２－３?ＣＵ／ＤＵ?ｂａｓｅｄ?５Ｇ?Ｃ－ＲＡＮ?ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＾２７１??２．２．２信號傳輸流程??對于圖２－１左側的傳統(tǒng)移動網絡架構，其下行信號傳輸流程為：首先，核??心網將終端數據逋過Ｍ傳鏈路（Ｂａｃｋｈａｕｌ）傳輸至＿站；然后，＿站的基帶處??理設備對信號進行處理，并將其轉換成射頻？號，通過射頻線纜傳輸至基站??天線；最后，基站天線將射頻儀號通過無線鏈路傳輸至終端。??對于圖２－１右側的Ｃ－ＲＡＮ架構，其下行號傳輸流程為：首先，核心網將??終端數據通過回傳鏈路傳輸至ＢＢＵ；然后，ＢＢＵ調度基帶處理資源對債號進??行處理，將其轉換成Ｉ／Ｑ中頻＃號并通過前傳鏈路傳輸至ＲＲＨ；最后，ＲＲＨ??將接收到的Ｉ／Ｑ儒醫(yī)通過射頻組件加載至天線，并通過無線鏈路傳輸至終端。??可見

?對式（２－６）以及式（２－７）進行簡單驗證。令５為１０ＭＨｚ、ａ２為１、Ｐｃ為１０Ｗ，??則由圖２－５可見，僅考慮信號發(fā)射功率作為系統(tǒng)能耗時，？／ＥＥｌｆ?％Ｅ呈矛盾關系，??即當：較小，發(fā)射功率極低時．，較大而錢同時考慮信每發(fā)射功率與電??路能耗作為系統(tǒng)能耗時，？不再呈矛盾關系，而是在？細取特定值時較??大，這也與其他文獻結果吻合％。??１?４?［－?＇?！?！?�。�?！?－??：?｜?＿？＿Ｐｃ?＝?ＯＷ］??１２????■?■?Ｂ?ｐｃ?＝?１〇?Ｗ?－??１０?Ｖ????－??Ｉ?Ｉ?＿??ａ?６???－??＼?．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．??２．??〇｜?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ???０?１?２?３?４?５??Ｔ｜ｓＥ（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）??圖２－５單小區(qū)能量效率與頻譜效率關系??Ｆｉｇ．?２－５?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＳＥ?ａｎｄ?ＥＥ?ｉｎ?ｓｉｎｇｌｅ－ｃｅｌｌ?ｓｙｓｔｅｍ??對于多小區(qū)場景，除了頻譜效率與能耗外，小區(qū)間■干擾亦對％Ｅ產生影??響。??考慮兩個單終端小區(qū)ＣｌｉｆＣ２，分別覆蓋終端以與的，則該系統(tǒng)的能量效??率為［７２］：??＝Ｂ?■?（／／Ｃｌ，ＳＥ?＋?＾２ｉｓｅ）?＝??Ｂ?？?（－＾Ｃｌ，ＳＥ?＋?＾ｑ．ｓｅ）??ｎ??細－＾．．ｔｏｔａｌ＋Ｐ＾ｔｏｔａｌ?－?２Ｐｃ?＋?ＡＰＰＴ（＾＾?＋?＾ｆ＾）?１?’??式中
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