隨著無線通信技術的不斷發(fā)展,無線應用逐漸進入生產生活中的各個領域。人們對無線通信系統(tǒng)的性能需求也逐漸提升,這主要包括更高的通信帶寬、更低的通信時延、更穩(wěn)定的通信連接、更大規(guī)模的通信容量以及更高的通信效率。然而,現有的無線通信系統(tǒng)難以達到以上要求,人們迫切盼望著下一代無線通信系統(tǒng)的到來。毫米波通信因其豐富的頻譜資源,普遍被認為將在下一代無線通信系統(tǒng)中發(fā)揮巨大作用。然而毫米波信號在空間下中衰減很快,需要利用大規(guī)模多輸入多輸出天線陣列通過波束成形技術將信號集中成極窄的方向性波束進行傳輸,波束越窄,能量傳輸效率、頻譜利用率與系統(tǒng)容量等性能就越高。新的技術帶來了豐富的計算與通信資源,也同時為資源的優(yōu)化分配帶來了新的挑戰(zhàn),如何在資源有限的情況下盡可能地提高系統(tǒng)各項性能便成為了毫米波通信中亟需解決的問題。本文在綜述國內外最新研究成果的基礎上,研究了多種場景下毫米波無線通信中的資源優(yōu)化問題,并分別提出了對應的優(yōu)化算法,為毫米波通信的實際應用提供了可行的方案。本文的主要工作如下:1.概述了毫米波無線通信領域的研究背景與應用,并綜述相關資源優(yōu)化問題研究進展。2.研究了在毫米波無線通信系統(tǒng)中多用戶快速定位與跟蹤問題。毫米波通信需要發(fā)射與接收雙方通過波束對準,利用極窄的波束建立連接。例如在蜂窩小區(qū)場景中,基站需要對多個用戶位置信息進行實時準確的估計與跟蹤,以建立低時延的毫米波方向性通信�，F有的多目標跟蹤算法,如概率假設密度粒子濾波算法,難以做到流水線化計算,制約了跟蹤實時性的進一步提高。對此,本文提出了一種改進的重采樣算法,通過引入粒子復制序列集合以及待復制粒子序列,使得需要重采樣的粒子在只獲得自身信息與之前重采樣粒子信息時即可進行粒子復制運算。通過引入該改進的重采樣算法,整個概率假設密度粒子濾波算法能夠實現完全流水線化運算。在此基礎上,為進一步降低運行時延,在多核處理器硬件平臺上提出了計算資源優(yōu)化分配問題,并通過解決一組混合整數規(guī)劃問題,得到了高時效的近似解法。仿真結果驗證了提出算法在保證跟蹤精度的情況下,能顯著降低整個濾波算法的計算時延,有效提高多用戶跟蹤的實時性,為毫米波通信的建立奠定了基礎,并為基站與每個用戶的低時延通信提供了保證。3.研究了毫米波通信應用在蜂窩小區(qū)網絡中的基站資源優(yōu)化分配問題�？紤]基站引入大規(guī)模多輸入多輸出天線陣列,當已知小區(qū)內多個用戶位置的情況下,如何分配其天線資源以最大化系統(tǒng)收益即系統(tǒng)吞吐量的問題。將基站上的大規(guī)模天線陣列虛擬地分成若干個均勻線性子陣列,分別通過波束成形技術與對應的用戶進行通信。由于大規(guī)模天線陣列與每個均勻線性子陣列都有著固定的形狀,因此本文將資源優(yōu)化問題建模為如何在矩形陣列中設計并合理地放置這些子陣列使得系統(tǒng)的收益最大。這既需要考慮每個用戶對應子陣列的天線數量,又需要考慮子陣列在矩形陣列中的位置。根據子陣列的放置方式不同又包含兩種的情況,1)所有線性子陣列都平行于矩形陣列的一條邊;2)為了進一步提高系統(tǒng)收益,線性子陣列可以相互垂直放置。本文對以上兩種情況分別建模,解決了兩個NP-hard問題,得到了兩種情況下多項式時間的近似算法。仿真結果驗證了提出的兩種算法在不同情況下都能有效地分配天線資源,得到有性能保證的系統(tǒng)收益。4.研究了毫米波通信應用在無線數據中心網絡中的資源優(yōu)化分配問題�？紤]在數據中心網絡中利用毫米波無線連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)服務器間的有線連接,以提高數據中心網絡靈活性及可擴展性的問題。隨著數據應用不斷的發(fā)展,數據中心網絡中涌現了極度不平衡流量。為了降低不平衡流量帶來的網絡擁堵,在每個服務器機架頂布置毫米波陣列天線以建立點對點無線數據中心網絡。通過分析陣列天線與波束成形技術特點,本文提出了無線數據中心網絡硬件實現方式以及單層和三層兩種網絡拓撲結構,并給出了網絡拓撲中節(jié)點與邊的生成方式。之后,為了降低給定時間內系統(tǒng)中任務流的最大完成時間,本文建模了天線資源分配優(yōu)化問題,通過變量替換等方式將其轉化為幾何規(guī)劃問題并給出了解法。仿真結果驗證了提出的毫米波無線數據中心網絡結構與資源優(yōu)化算法的有效性。5.對全文進行了總結,并對進一步的研究工作進行了展望。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN928
【部分圖文】：

，規(guī)模多輸入多輸出（Ｍａｓｓｉｖｅ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ，?Ｍａｓｓｉｖｅ?術。??ｌｏｏ?Ｉ?１?「ｒｉｉｉ?Ｍ?ｍ?ｉ?（ｉｉ＼?�。�??Ｌｉ＿｜＿?園ｉｓ??＾?－ｆ—??＾????？?／?Ｉ?＼ｌ?ｉｆ??０?２０?４０?６０?８０?１００１２０１４０１６０１８０?２００２２０２４０２６０?２８０３００３２０３４０?３６０?３８０４００??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?（ＧＨｚ）??圖ｉ－ｉ毫米波頻段大氣衰減圖ｗ??

１?緒論??ＣＪ?ｕ?ｏｂ?０?ｕ?Ｕ?０?Ｖ〇?ｕ?６??圖１－３?Ｆａｔ－ｔｒｅｅ數據中心架構示意圖??細??ｄｉｅ?０＾０?０?ｉ?￡５??圖１－４?ＨｅＨｏｓ數據中心架構示意圖??信，以降低通信熱點的發(fā)生，降低系統(tǒng)傳輸時延。??有線數據中心網絡主要分為兩大類，一類是筒單的樹狀結構，在接入層使用接口較少??的廉價交換機，匯聚層使用接口較多也更昂貴的交換機，而在核心層使用擁有數百個萬兆??接口的極為昂貴的高性能交換機以滿足數據分發(fā)的需要。這種結構對核心層網絡設備有極??高的性能要求，而且當服務器數量和拓撲結構發(fā)生改變時，難以滿足可擴展性的需求，同??時容易帶來帶寬超額（ｏｖｅｒｓｕｂｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）的問題。??現有的數據中心網絡主要為分級的互聯(lián)網絡結構，利用交換機將各個物理結構進行連??接［５７，５８］。通常是一種分級的胖樹（Ｆａｔ－ｔｒｅｅ）型互聯(lián)模型網絡架構，通過加入冗余的帶寬和??交換機陣列，使用經濟的平價交換機代替昂貴的高性能交換機，同時冗余交換機的引入也??緩解了單點失效的問題。??傳統(tǒng)的有線數據中心網絡一般主要包含三層：核心層（Ｃｏｒｅ?Ｌａｙｅｒ?）、匯聚層（

細??ｄｉｅ?０＾０?０?ｉ?￡５??圖１－４?ＨｅＨｏｓ數據中心架構示意圖??信，以降低通信熱點的發(fā)生，降低系統(tǒng)傳輸時延。??有線數據中心網絡主要分為兩大類，一類是筒單的樹狀結構，在接入層使用接口較少??的廉價交換機，匯聚層使用接口較多也更昂貴的交換機，而在核心層使用擁有數百個萬兆??接口的極為昂貴的高性能交換機以滿足數據分發(fā)的需要。這種結構對核心層網絡設備有極??高的性能要求，而且當服務器數量和拓撲結構發(fā)生改變時，難以滿足可擴展性的需求，同??時容易帶來帶寬超額（ｏｖｅｒｓｕｂｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）的問題。??現有的數據中心網絡主要為分級的互聯(lián)網絡結構，利用交換機將各個物理結構進行連??接［５７，５８］。通常是一種分級的胖樹（Ｆａｔ－ｔｒｅｅ）型互聯(lián)模型網絡架構，通過加入冗余的帶寬和??交換機陣列，使用經濟的平價交換機代替昂貴的高性能交換機，同時冗余交換機的引入也??緩解了單點
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本文編號：2883743