本文關(guān)鍵詞：寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中基于跨層設(shè)計(jì)和能效優(yōu)化的資源分配方案研究

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【摘要】：隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視,綠色通信正引起人們的廣泛關(guān)注,而最大化系統(tǒng)能效是綠色通信的重要目標(biāo)之一。此外,正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)可以改善系統(tǒng)的頻譜效率,并且能夠有效對(duì)抗由于多徑效應(yīng)等引起的碼間干擾,同時(shí),OFDMA技術(shù)可以根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)地為多個(gè)用戶分配子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)不僅能提高數(shù)據(jù)傳輸速率,還能改善鏈路的可靠性。因此OFDMA和MIMO技術(shù)成為寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。因此,研究MIMO/OFDMA系統(tǒng)及其能效資源分配問(wèn)題有著重要意義。本論文著重對(duì)FDD-OFDMA系統(tǒng)中跨層設(shè)計(jì)和多用戶OFDMA系統(tǒng)、多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)、多用戶大規(guī)模MIMO-OFDMA系統(tǒng)、多小區(qū)協(xié)作大規(guī)模MIMO系統(tǒng)以及大規(guī)模MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于能效優(yōu)化的的動(dòng)態(tài)資源分配問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)相應(yīng)的最優(yōu)或者次優(yōu)資源分配算法,具體的研究?jī)?nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下：1.針對(duì)FDD-OFDMA移動(dòng)通信下行系統(tǒng)受限干擾的問(wèn)題,提出了一種資源調(diào)度跨層設(shè)計(jì)算法。該算法在滿足目標(biāo)誤包率的前提下,以最大化系統(tǒng)goodput (發(fā)射端成功發(fā)射的比特率)為準(zhǔn)則建立優(yōu)化模型,能在發(fā)射端完全不知道信道狀態(tài)信息,同時(shí)考慮小區(qū)用戶存在相鄰小區(qū)基站干擾的情況下,利用ACK/NAK信息把最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的過(guò)程轉(zhuǎn)換成馬爾可夫決策過(guò)程(MDP),進(jìn)而給出閉合解,實(shí)現(xiàn)用戶調(diào)度,以及速率分配。與傳統(tǒng)的算法相比,所提算法在較低復(fù)雜度前提下獲得很接近發(fā)射端完全已知信道狀態(tài)信息的系統(tǒng)goodput。2.針對(duì)多用戶OFDMA移動(dòng)通信下行系統(tǒng),以最大化系統(tǒng)能效為準(zhǔn)則,同時(shí)考慮每個(gè)用戶的QoS要求,提出了一種用戶調(diào)度和資源分配方法,假設(shè)發(fā)射端完全已知信道信息,系統(tǒng)的功率消耗主要由電路功率消耗和發(fā)射功率消耗兩部分組成的情況下,給出了用戶調(diào)度和速率分配策略,該算法首先根據(jù)用戶的最低速率要求和能效最大化的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行用戶調(diào)度：然后采用二進(jìn)制搜索輔助提升法(Binary Search Assisted Ascent, BSAA)進(jìn)行速率分配,對(duì)于不滿足速率要求的用戶,則采用拉格朗日算法進(jìn)行速率分配。該方法充分利用了系統(tǒng)內(nèi)在的分集,有效地提高了系統(tǒng)的能量使用效率,同時(shí)又保證了用戶的QoS要求。3.針對(duì)上行多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行了研究。當(dāng)接收端采用迫零(ZF)接收時(shí),以最大化系統(tǒng)能效下界為準(zhǔn)則,提出了兩種資源分配算法。與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)只進(jìn)行功率、速率分配最大化目標(biāo)函數(shù)不同,所提算法通過(guò)聯(lián)合調(diào)整基站端的天線數(shù)和發(fā)射數(shù)據(jù)速率最大化系統(tǒng)能效下界。算法一：首先根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì),證明全局最優(yōu)速率分配和基站天線數(shù)的存在性和唯一性,進(jìn)而給出一種資源分配的迭代方法。但是由于該方法的收斂速度和性能受初始值和步長(zhǎng)的影響比較大。因此,我們提出了第二種算法,該算法根據(jù)分?jǐn)?shù)規(guī)劃的性質(zhì),把分?jǐn)?shù)形式的能效函數(shù)轉(zhuǎn)換成減數(shù)形式,進(jìn)而采用凸優(yōu)化的方法提出一種更有效的迭代算法,并證明了此算法的收斂性。所提兩種算法能夠在較少迭代次數(shù)的情況下獲得接近最優(yōu)資源分配的性能。當(dāng)接收端采用最大比合并(MRC)接收時(shí),首先推導(dǎo)了系統(tǒng)容量下界,同時(shí)在考慮滿足用戶數(shù)據(jù)速率和可容忍的干擾水平約束的條件下,以最大化系統(tǒng)能效下界為準(zhǔn)則建立優(yōu)化模型。根據(jù)分?jǐn)?shù)規(guī)劃的性質(zhì),把原始的分?jǐn)?shù)最優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換成減式的形式,通過(guò)聯(lián)合調(diào)整基站端的發(fā)射天線數(shù)和用戶的發(fā)射功率來(lái)優(yōu)化能效函數(shù)。所提算法能夠在較少迭代次數(shù)的情況下獲得較接近最優(yōu)算法的性能。4.針對(duì)多用戶大規(guī)模MIMO OFDMA下行系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先假設(shè)發(fā)射端完全已知信道狀態(tài)信息(CSI),并采用迫零(ZF)預(yù)編碼推導(dǎo)了系統(tǒng)容量下界表達(dá)式,同時(shí)考慮在滿足每個(gè)用戶的最低速率要求下,以最大化系統(tǒng)的能效下界為目標(biāo)函數(shù),建立相應(yīng)的優(yōu)化模型。由于全局最優(yōu)解難以獲得,進(jìn)而提出一種低復(fù)雜度的次優(yōu)算法,該算法將整個(gè)優(yōu)化過(guò)程分兩步來(lái)完成：首先根據(jù)用戶的最低速率要求和能效最大化的目標(biāo)函數(shù)提出了一種帶寬分配算法；然后在所提帶寬分配算法的基礎(chǔ)上通過(guò)聯(lián)合調(diào)整基站端的發(fā)射天線數(shù)和用戶的發(fā)射功率來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)能效。所提算法在獲得較好能效性能的同時(shí),也能獲得較好的系統(tǒng)吞吐量性能。5.針對(duì)多小區(qū)協(xié)作大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行了研究。假設(shè)該多小區(qū)協(xié)作無(wú)線通信系統(tǒng)中基站完全協(xié)作,并采用迫零(ZF)預(yù)編碼情況下,以最大化系統(tǒng)能效為準(zhǔn)則,提出了一種資源分配方法。根據(jù)分?jǐn)?shù)規(guī)劃的性質(zhì),提出一種功率分配的迭代算法。所提算法具有較低的復(fù)雜度同時(shí)獲得較好的能效和頻譜效率性能。6.針對(duì)大規(guī)模MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于能效最優(yōu)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行了研究。假設(shè)發(fā)射端采用ZF預(yù)編碼時(shí),首先推導(dǎo)了系統(tǒng)的容量下界,進(jìn)而在可容忍的干擾水平約束的條件下,通過(guò)聯(lián)合調(diào)整宏基站的天線數(shù),宏基站的發(fā)射功率以及小小區(qū)接入點(diǎn)的發(fā)射功率優(yōu)化能效函數(shù)。仿真結(jié)果表明,所提算法具有較好的能效性能。
【關(guān)鍵詞】：正交頻分復(fù)用 正交頻分多址 多輸入多輸出 多用戶分集 用戶調(diào)度 動(dòng)態(tài)資源分配 綠色通信 能效 大規(guī)模MIMO
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN929.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 縮略詞表12-14
• 數(shù)學(xué)符號(hào)表14-15
• 第一章 緒論15-33
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 無(wú)線信道的衰落特性16-20
• 1.2.1 大尺度衰落17-18
• 1.2.2 小尺度衰落18-20
• 1.3 OFDM及OFDMA技術(shù)概述20-22
• 1.3.1 OFDM技術(shù)概述20-21
• 1.3.2 OFDMA技術(shù)概述21-22
• 1.4 MIMO技術(shù)概述22-25
• 1.4.1 MIMO系統(tǒng)模型22-23
• 1.4.2 MIMO信道容量23-24
• 1.4.3 MIMO空間分集與空間復(fù)用24-25
• 1.4.4 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)25
• 1.5 多小區(qū)協(xié)作通信25-26
• 1.6 多用戶OFDMA系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)概述26-28
• 1.6.1 多用戶OFDMA系統(tǒng)中傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)資源分配26-28
• 1.6.2 MIMO-OFDMA系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)資源分配28
• 1.7 跨層資源分配28-29
• 1.8 能效優(yōu)化無(wú)線資源分配29-30
• 1.9 論文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排30-33
• 第二章 基于FDD-OFDMA系統(tǒng)的多用戶下行傳輸跨層優(yōu)化33-45
• 2.1 引言33-34
• 2.2 系統(tǒng)模型與問(wèn)題描述34-37
• 2.2.1 系統(tǒng)模型34-36
• 2.2.2 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)36-37
• 2.3 多用戶FDD-OFDMA系統(tǒng)的跨層設(shè)計(jì)37-40
• 2.3.1 優(yōu)化算法37-40
• 2.3.2 性能分析40
• 2.4 仿真結(jié)果與分析40-43
• 2.5 小結(jié)43-45
• 第三章 基于能效最優(yōu)的用戶調(diào)度與資源分配45-57
• 3.1 引言45-46
• 3.2 系統(tǒng)模型與問(wèn)題描述46-48
• 3.2.1 系統(tǒng)模型46-47
• 3.2.2 問(wèn)題描述47-48
• 3.3 能效資源分配48-52
• 3.3.1 優(yōu)化算法48-49
• 3.3.2 算法描述49-50
• 3.3.3 BSAA算法50-51
• 3.3.4 ACG算法51-52
• 3.4 仿真結(jié)果與分析52-55
• 3.5 結(jié)束語(yǔ)55-57
• 第四章 上行多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化57-79
• 4.1 引言57-58
• 4.2 系統(tǒng)模型58-59
• 4.3 問(wèn)題描述59-62
• 4.3.1 ZF接收59-60
• 4.3.2 MRC接收60-62
• 4.4 能效資源分配算法62-70
• 4.4.1 ZF接收62-67
• 4.4.2 MRC接收67-70
• 4.5 仿真結(jié)果與分析70-76
• 4.6 小結(jié)76-79
• 第五章 大規(guī)模MIMO OFDMA下行系統(tǒng)的能效資源分配79-93
• 5.1 引言79-80
• 5.2 系統(tǒng)模型與問(wèn)題描述80-82
• 5.3 大規(guī)模MIMO OFDMA下行系統(tǒng)能效資源分配82-86
• 5.3.1 基于最低速率要求下能效最大化的帶寬分配算法(BABEE)82-83
• 5.3.2 基于最低速率要求下能效最大化資源分配算法(RABEE)83-85
• 5.3.3 EMMPA算法85-86
• 5.4 仿真結(jié)果與算法復(fù)雜度分析86-91
• 5.4.1 仿真結(jié)果與分析86-87
• 5.4.2 算法復(fù)雜度分析87-91
• 5.5 小結(jié)91-93
• 第六章 多小區(qū)協(xié)作大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化93-103
• 6.1 引言93-94
• 6.2 系統(tǒng)模型94-96
• 6.3 能效資源分配96-97
• 6.3.1 優(yōu)化算法及算法描述96-97
• 6.3.2 minimum power算法描述97
• 6.4 仿真結(jié)果與分析97-101
• 6.5 小結(jié)101-103
• 第七章 大規(guī)模MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中能效資源分配算法研究103-113
• 7.1 引言103
• 7.2 系統(tǒng)模型與問(wèn)題描述103-105
• 7.3 大規(guī)模MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中能效資源分配算法105-110
• 7.4 仿真結(jié)果與分析110-112
• 7.5 小結(jié)112-113
• 第八章 結(jié)論與展望113-117
• 8.1 本文工作總結(jié)113-115
• 8.2 未來(lái)研究展望115
• 8.3 結(jié)束語(yǔ)115-117
• 參考文獻(xiàn)117-127
• 攻讀博士期間發(fā)表和投稿的論文127-129
• 攻讀博士期間參加的項(xiàng)目129-131
• 致謝131

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