本文選題：全雙工　切入點(diǎn)：DF中繼　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：第五代移動(dòng)通信(5G)將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。然而,要在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)更高的速率和更大的容量,必須對(duì)頻譜進(jìn)行更高效的利用�，F(xiàn)行的無(wú)線通信系統(tǒng)為了避免上下行通信鏈路之間的干擾,一般都采用頻分雙工模式或時(shí)分雙工模式。然而無(wú)論采用哪種雙工方式,都將浪費(fèi)一半的頻譜資源。而全雙工無(wú)線通信技術(shù)的主要目的就是通過(guò)同時(shí)同頻傳輸,充分利用無(wú)線資源。全雙工技術(shù)得以應(yīng)用的一個(gè)前提是通信節(jié)點(diǎn)能夠有效的消除和抑制無(wú)線信號(hào)同時(shí)同頻傳輸所產(chǎn)生的自干擾。完整的自干擾消除與抑制過(guò)程由三個(gè)階段組成,分別為傳輸域自干擾抑制、模擬域自干擾消除與數(shù)字域自干擾消除。盡管自干擾消除技術(shù)保障了無(wú)線通信系統(tǒng)能夠工作在全雙工狀態(tài),但是由于射頻電路的非線性、晶振的相位噪聲等因素的影響,目前還無(wú)法完全消除掉自干擾。此外對(duì)于多個(gè)全雙工節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),除了殘留的自干擾外,還需面對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)同頻收發(fā)產(chǎn)生的同信道干擾。針對(duì)全雙工無(wú)線通信系統(tǒng)中較復(fù)雜的干擾問(wèn)題,本文對(duì)全雙工無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的功率分配方法進(jìn)行深入研究,旨在設(shè)計(jì)合理的發(fā)射功率分配算法,有效降低干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,使得全雙工無(wú)線通信系統(tǒng)的性能得以顯著提升。無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線安全通信網(wǎng)絡(luò)是全雙工技術(shù)的兩個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。因此,本文分別針對(duì)全雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-forward,DF)中繼網(wǎng)絡(luò)和全雙工輔助的物理層安全通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了重點(diǎn)的研究與分析。針對(duì)全雙工DF中繼網(wǎng)絡(luò),本文分別考慮了單載波DF中繼和多載波DF中繼兩種傳輸方式。對(duì)于單天線單載波DF中繼,首先對(duì)其在瑞利衰落信道下的端到端的中斷概率閉合表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo),并利用其作為了功率分配的目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率和總功率聯(lián)合受限條件,本文提出了最優(yōu)功率分配算法,并證明了最優(yōu)功率分配結(jié)果位于功率限制條件的邊界條件處,同時(shí)本文還推導(dǎo)了系統(tǒng)的中斷概率的下界。對(duì)于多天線單載波DF中繼系統(tǒng),本文以匹配濾波接收機(jī)所能達(dá)到的最大信息速率為目標(biāo)函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)功率分配方案。針對(duì)節(jié)點(diǎn)間發(fā)射功率分配與節(jié)點(diǎn)內(nèi)波束成型互相耦合這一問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了迭代功率分配方案:當(dāng)給定發(fā)射波束成型矢量,節(jié)點(diǎn)間功率分配可以得到最優(yōu)的源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率;而在給定節(jié)點(diǎn)間功率分配結(jié)果時(shí),設(shè)計(jì)了一種基于信泄噪比的波束成型方案,根據(jù)Rayleigh-Ritz Ratio定理,得到了發(fā)射波束成型的閉合表達(dá)式;最后,通過(guò)節(jié)點(diǎn)間功率分配和節(jié)點(diǎn)內(nèi)功率分配的迭代完成功率分配。對(duì)于多載波DF中繼,分別考慮了基于子載波的DF中繼協(xié)議與基于數(shù)據(jù)塊的DF中繼協(xié)議。針對(duì)基于子載波的DF中繼,在總功率受限時(shí)以及單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率受限時(shí),分別證明了最優(yōu)功率分配問(wèn)題是凸問(wèn)題,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的基于二分搜索的算法來(lái)求解對(duì)應(yīng)的KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件得到最優(yōu)功率分配結(jié)果,同時(shí)對(duì)大信噪比時(shí)的系統(tǒng)容量上限進(jìn)行了推導(dǎo)。本文還對(duì)不存在直達(dá)路徑時(shí)的功率分配問(wèn)題,以及給定目標(biāo)容量如何使得所需功率最小化的功率分配問(wèn)題進(jìn)行了研究。針對(duì)基于數(shù)據(jù)塊的DF中繼,本文設(shè)計(jì)一種源節(jié)點(diǎn)—中繼節(jié)點(diǎn)迭代功率分配算法來(lái)使得系統(tǒng)容量最大化。而在源節(jié)點(diǎn)分配階段或者中繼節(jié)點(diǎn)分配階段,利用了序列凸規(guī)劃方法將非凸的限制條件轉(zhuǎn)化為了一系列的凸的限制條件,從而將非凸優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了一系列的凸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。對(duì)于全雙工輔助的多載波物理層安全通信網(wǎng)絡(luò),目的節(jié)點(diǎn)在接收期望信號(hào)的同時(shí)還利用全雙工方式對(duì)非授權(quán)節(jié)點(diǎn)發(fā)送干擾信號(hào)。對(duì)于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本文采用了系統(tǒng)的安全容量作為目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)功率分配算法,以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能。本文首先將不可微的安全容量函數(shù)轉(zhuǎn)化為了可微的形式,并給出了目的節(jié)點(diǎn)的子載波可以利用全雙工模式發(fā)射干擾信號(hào)的必要條件,并確定了采用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)迭代分配的功率分配策略。當(dāng)僅有功率受限時(shí),盡管源節(jié)點(diǎn)分配階段與目的節(jié)點(diǎn)分配階段所面對(duì)的優(yōu)化問(wèn)題都是非凸的,通過(guò)求解KKT條件,并結(jié)合系統(tǒng)特性,得到了源節(jié)點(diǎn)分配階段和目的節(jié)點(diǎn)分配階段的最優(yōu)解,同時(shí)還推導(dǎo)了系統(tǒng)的安全容量的上界。而當(dāng)系統(tǒng)功率與目標(biāo)速率聯(lián)合受限時(shí),源節(jié)點(diǎn)分配階段所得到的KKT條件可以直接通過(guò)二維二分搜索進(jìn)行求解,而目的節(jié)點(diǎn)功率分配階段是復(fù)雜的非凸優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)序列凸規(guī)劃算法將非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了一系列的凸問(wèn)題進(jìn)行迭代求解。最后,本文還將所設(shè)計(jì)的兩階段迭代功率分配算法,通過(guò)遞歸處理,拓展到了多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投鄠�(gè)源節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹１疚牡难芯績(jī)?nèi)容驗(yàn)證了采用正確的功率分配算法可以有效的提高全雙工DF中繼網(wǎng)絡(luò)以及全雙工輔助的物理層安全通信網(wǎng)絡(luò)的性能。因此對(duì)于全雙工無(wú)線網(wǎng)絡(luò),功率分配是保證系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[Abstract]:In order to avoid interference between uplink and downlink communication links , it is necessary to make full use of frequency division duplex mode or time division duplex mode . In this paper , the problem of non - convex optimization is solved for a series of convex optimization problems .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN92

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本文編號(hào)：1679631