發(fā)布時間：2020-11-09 09:29

　　 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(shù)的迅猛發(fā)展。云無線接入網(wǎng)(C-RAN,Cloud Radio Access Network)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),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(gòu)成一種遠(yuǎn)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(gòu)。該架構(gòu)能夠以虛擬多輸入多輸出的方式進(jìn)行小區(qū)間協(xié)作多點傳輸,獲得空間分集增益。但同時,C-RAN全新的架構(gòu)也帶來了一些技術(shù)應(yīng)用層面的挑戰(zhàn),體現(xiàn)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(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存在收發(fā)機硬件減損,在協(xié)作信號的收發(fā)過程中引入硬件畸變噪聲,嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能的提升。二是C-RAN的協(xié)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(shù)據(jù),當(dāng)協(xié)作規(guī)模較大時上述數(shù)據(jù)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(dá)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(shù)據(jù)在天線間的共享。鑒于此,本論文針對C-RAN的協(xié)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(dá)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及性能優(yōu)化模型。對C-RAN以及傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以及信號傳輸流程進(jìn)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(shù)。分析小區(qū)間干擾對系統(tǒng)性能的影響,明確聯(lián)合處理、協(xié)作波束成形、協(xié)作靜默三類協(xié)作多點傳輸?shù)墓ぷ鳈C制。重點對聯(lián)合處理的原理進(jìn)行分析,將其建模為優(yōu)化問題并求得最優(yōu)解的結(jié)構(gòu),通過漸近性分析得到特殊場景的預(yù)編碼優(yōu)化策略,為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。(2)針對使用低成本收發(fā)機硬件的C-RAN協(xié)作多點傳輸,提出存在收發(fā)機硬件減損的協(xié)作魯棒性優(yōu)化策略,解決硬件減損導(dǎo)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(xié)作多點傳輸?shù)男诺拦烙嫼蛿?shù)據(jù)收發(fā)的影響,并基于信道容量下界構(gòu)建了旨在提升系統(tǒng)最差能量效率性能的多目標(biāo)優(yōu)化問題。將該問題利用帕雷托思想轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問題,并提出基于KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件的迭代算法進(jìn)行求解,得到協(xié)作功率的最優(yōu)分配值,實現(xiàn)協(xié)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(xié)作多點傳輸,提出高能量效率的非對稱協(xié)作優(yōu)化策略,解決大規(guī)模協(xié)作時光纖前傳鏈路嚴(yán)重受限以及系統(tǒng)能耗高的問題。綜合考慮協(xié)作復(fù)雜度以及低能耗的綠色通信需求,非對稱地選擇參與協(xié)作的天線。同時,引入適用于C-RAN的能耗模型,提出與協(xié)作復(fù)雜度相關(guān)的基帶信號處理以及前傳鏈路的能耗計算機制。在此基礎(chǔ)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(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為其下界值,并提出聯(lián)合優(yōu)化求解方法,通過分步迭代求得最優(yōu)的協(xié)作天線數(shù)以及分配功率,實現(xiàn)前傳鏈路帶寬受限時高能量效率的大規(guī)模協(xié)作。(4)針對使用無線前傳鏈路的C-RAN協(xié)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(xié)作天線間的靈活分配需求。搭建無線協(xié)作以及無線前傳的鏈路模型,在二者之間建立耦合關(guān)系,通過定義鏈路協(xié)作貢獻(xiàn)度將無線前傳鏈路帶寬的分配建模為以鏈路協(xié)作貢獻(xiàn)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(zhuǎn)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(fù)雜度最優(yōu)地分配無線前傳鏈路帶寬,實現(xiàn)C-RAN使用無線前傳時協(xié)作多點傳輸性能的提升。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN92
【部分圖文】：

鏈路、天線、功率等資源進(jìn)行分配，實現(xiàn)ＣｏＭＰ性能的聯(lián)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(xié)作多點傳輸?shù)男阅軆?yōu)化需求，從如圖１－３所??示的四個方面開展：（１）?Ｃ－ＲＡＮ網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及工作機制、性能優(yōu)化模型。該??部分內(nèi)容為后續(xù)研宄提供理論基礎(chǔ)與前提。（２）存在收發(fā)機硬件減損的協(xié)??作魯棒性優(yōu)化。該部分內(nèi)容針對使用低成本收發(fā)機硬件的Ｃ?－ＲＡＮ協(xié)作多點傳??輸場景，旨在解決硬件減損導(dǎo)致的系統(tǒng)性能下降何題。（３）高能量效率的非??對稱協(xié)作策略優(yōu)化。該部分內(nèi)容針對使甩光纖前傳鏈路的Ｃ－ＲＡＮ協(xié)作多點傳??輸場景，旨在解決大規(guī)模協(xié)作時光纖前傳鏈路嚴(yán)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(nèi)容針對使用無線??前傳鏈路的Ｃ－ＲＡＮ協(xié)作多點傳輸場景，旨在解決無線前傳鏈路資源在協(xié)作天??線間的靈活分配問題。??■翁罐＾?核心網(wǎng)ＣＮ??ＷｍｍＭｍｍｉ???ｓ帶處理單元???Ｌ?１?Ｖｂｂｕ?（ＣＵ／ＤＵ）??網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(yuǎn)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(cè)的傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其下行信號傳輸流程為：首先，核??心網(wǎng)將終端數(shù)據(jù)逋過Ｍ傳鏈路（Ｂａｃｋｈａｕｌ）傳輸至＿站；然后，＿站的基帶處??理設(shè)備對信號進(jìn)行處理，并將其轉(zhuǎn)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(cè)的Ｃ－ＲＡＮ架構(gòu)，其下行號傳輸流程為：首先，核心網(wǎng)將??終端數(shù)據(jù)通過回傳鏈路傳輸至ＢＢＵ；然后，ＢＢＵ調(diào)度基帶處理資源對債號進(jìn)??行處理，將其轉(zhuǎn)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(jìn)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(guān)系，??即當(dāng)：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(guān)系，而是在？細(xì)取特定值時較??大，這也與其他文獻(xiàn)結(jié)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(guān)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(chǎn)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(xì)－＾．．ｔｏｔａｌ＋Ｐ＾ｔｏｔａｌ?－?２Ｐｃ?＋?ＡＰＰＴ（＾＾?＋?＾ｆ＾）?１?’??式中
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本文編號：2876214