本文選題：協(xié)作通信　切入點(diǎn)：頻譜效率　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：智能手機(jī)、平板電腦、智能可穿戴設(shè)備等移動(dòng)終端的爆炸性增長,以及用戶對(duì)各種服務(wù)、鏈接、內(nèi)容、體驗(yàn)等需求的不斷上升,對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了艱巨的挑戰(zhàn)。面對(duì)有限的頻譜資源,如何為蜂窩網(wǎng)絡(luò)、以及將來融合接入的物聯(lián)網(wǎng)、車載網(wǎng)等異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)提供高速、高可靠性的傳輸支持是未來移動(dòng)通信網(wǎng)需要解決的關(guān)鍵問題。在網(wǎng)絡(luò)層面,通過小區(qū)分裂形成宏基站與家庭基站、微基站等形成異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò),提高頻譜復(fù)用因子。然而,密集的小區(qū)部署帶來了更加復(fù)雜和嚴(yán)重的小區(qū)間干擾。在物理層面,大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)(Massive Multiple Input Multiple Output, Massive MIMO)通過在基站架設(shè)天線陣列(Antenna Array, AA)獲取空間分集或復(fù)用增益。然而,考慮到終端設(shè)備體積受限,無法配備多天線,協(xié)作通信成為了給用戶提供高可靠性和高速率上行傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。協(xié)作通信的核心思想是網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)通過協(xié)作的方法共享同一資源,形成一個(gè)分布式的虛擬天線陣列(Virtual AA),實(shí)現(xiàn)空間分集。協(xié)作通信技術(shù)具有擴(kuò)大覆蓋范圍、提供可靠傳輸以及降低小區(qū)間干擾的優(yōu)勢。然而,協(xié)作通信依然具有明顯的缺陷。一方面,由于節(jié)點(diǎn)的半雙工特性,協(xié)作傳輸將原本的單跳直傳鏈路轉(zhuǎn)化為多跳轉(zhuǎn)發(fā)鏈路,降低了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用效率。另一方面,數(shù)據(jù)包的多次轉(zhuǎn)發(fā)意味著多次的能量消耗,尤其在能量受限的場景下,已有協(xié)作策略無法實(shí)現(xiàn)較高的能量效率。因此,本論文從頻譜效率和能量效率兩方面出發(fā)開展協(xié)作通信技術(shù)的研究,建立了單用戶雙通道中繼(Two-Path Relay,TPR)協(xié)作的鏈路層干擾模型,提出了基于復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼(Complex Field Network Coding, CFNC)的多用戶TPR協(xié)作策略,設(shè)計(jì)了能量采集(Energy Harvesting, EH)環(huán)境下的多中繼鏈路層協(xié)作機(jī)制,為提升半雙工多中繼協(xié)作系統(tǒng)的頻譜效率以及能量效率提供了新的有效的解決途徑。本文主要工作和貢獻(xiàn)如下：1)基于單用戶TPR協(xié)作模型,提出中繼間干擾的跨層建模思想,在保證系統(tǒng)各條鏈路穩(wěn)定的情況下,通過用戶與中繼間的功率分配機(jī)制最大化端到端可達(dá)吞吐量。TPR模型利用多中繼輪流接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),提升了頻譜效率的同時(shí)引入了中繼間干擾(Inter-Relay Interference, IRI),在此基礎(chǔ)上,本論文借鑒排隊(duì)論理論,考慮發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)包到達(dá)、排隊(duì)與服務(wù)過程,提出鏈路層的IRI模型,推導(dǎo)給出系統(tǒng)的穩(wěn)定吞吐量區(qū)間。并且在用戶和中繼節(jié)點(diǎn)間建立功率分配優(yōu)化模型,最大化端到端可達(dá)穩(wěn)定吞吐量。對(duì)優(yōu)化間題進(jìn)行降維變換,利用系統(tǒng)本身具有的性質(zhì)簡化計(jì)算,求解最優(yōu)值。此外,當(dāng)直傳鏈路對(duì)目的節(jié)點(diǎn)的干擾不可忽略時(shí),提出了解耦奇數(shù)時(shí)隙和偶數(shù)時(shí)隙傳輸?shù)乃枷?歸納出了一般化的兩鏈路同頻干擾場景,并推導(dǎo)了一般化場景的穩(wěn)定吞吐量區(qū)間。仿真結(jié)果驗(yàn)證了鏈路層干擾模型相比于Full buffer假設(shè)的優(yōu)勢,并給出了不同中繼部署場景下系統(tǒng)吞吐量的變化,給實(shí)際中繼部署以及功率配置提供參考依據(jù)。2)建立多用戶TPR協(xié)作模型,提出基于CFNC的中繼間干擾和多用戶干擾抑制策略,并通過優(yōu)化預(yù)編碼因子的選取降低端到端誤碼率(Symbol Error Probability, SEP)。將傳統(tǒng)單用戶TPR模型推廣至多用戶場景,在用戶和中繼節(jié)點(diǎn)引入CFNC對(duì)傳輸?shù)姆?hào)進(jìn)行預(yù)編碼操作,形成一個(gè)分布式的聯(lián)合調(diào)制系統(tǒng),在接收節(jié)點(diǎn)通過最大似然檢測進(jìn)行最優(yōu)譯碼,來抑制IRI、用戶間干擾以及目的節(jié)點(diǎn)的直傳鏈路干擾。接著,利用聯(lián)合界和Chernoff界給出了協(xié)作模型端到端SEP的緊致上界。提出基于SEP或者互信息,目的端采取不同解碼方式的譯碼策略,在保證系統(tǒng)性能的同時(shí)降低解碼復(fù)雜度。進(jìn)一步地,考慮到編碼因子的選取決定了誤碼性能,因此,提出等相位預(yù)編碼(Equiphase Precoder, EP)思想,通過設(shè)計(jì)分布式聯(lián)合調(diào)制的星座圖來降低SEP。仿真結(jié)果驗(yàn)證了EP準(zhǔn)則帶來的編碼增益以及基于CFNC的IRI抑制策略相較于已有方案的SEP增益。3)針對(duì)能量受限場景,提出EH環(huán)境下的多中繼鏈路層協(xié)作方案,設(shè)計(jì)最優(yōu)的跨層協(xié)作參數(shù),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下最大化端到端可達(dá)吞吐量。在EH約束下,針對(duì)傳統(tǒng)物理層協(xié)作和鏈路層協(xié)作的缺陷,首先提出簡單三節(jié)點(diǎn)模型下的解碼轉(zhuǎn)發(fā)鏈路層協(xié)作方案。推導(dǎo)得到該協(xié)作模型的穩(wěn)定吞吐量區(qū)間,并建立最優(yōu)化問題來尋找最優(yōu)參數(shù)配置,使得能量受限的情形下達(dá)到吞吐量的最大化。挖掘系統(tǒng)的內(nèi)在性質(zhì),將多變量優(yōu)化問題降解成若干單變量優(yōu)化子問題并行求解。然后,將單中繼模型推廣到多中繼協(xié)作模型,建立中繼間的索引思想,同樣給出系統(tǒng)穩(wěn)定吞吐量區(qū)間,建立吞吐量優(yōu)化問題,并提出一種啟發(fā)式算法來求解一個(gè)次優(yōu)解。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了協(xié)作模型在能量約束下的吞吐量性能的提升,同時(shí),找出中繼數(shù)量與能量效率之間的關(guān)系,為實(shí)際EH協(xié)作通信部署和優(yōu)化提供了參考。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN929.5

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