發(fā)布時間：2017-10-31 22:12

  本文關鍵詞：寬帶無線通信系統(tǒng)中基于跨層設計和能效優(yōu)化的資源分配方案研究

  更多相關文章： 正交頻分復用 正交頻分多址 多輸入多輸出 多用戶分集 用戶調(diào)度 動態(tài)資源分配 綠色通信 能效 大規(guī)模MIMO

【摘要】：隨著人們對環(huán)境問題的日益重視,綠色通信正引起人們的廣泛關注,而最大化系統(tǒng)能效是綠色通信的重要目標之一。此外,正交頻分多址(OFDMA)技術可以改善系統(tǒng)的頻譜效率,并且能夠有效對抗由于多徑效應等引起的碼間干擾,同時,OFDMA技術可以根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息動態(tài)地為多個用戶分配子信道來實現(xiàn)多用戶分集增益。多輸入多輸出(MIMO)技術不僅能提高數(shù)據(jù)傳輸速率,還能改善鏈路的可靠性。因此OFDMA和MIMO技術成為寬帶無線通信系統(tǒng)中的關鍵技術。因此,研究MIMO/OFDMA系統(tǒng)及其能效資源分配問題有著重要意義。本論文著重對FDD-OFDMA系統(tǒng)中跨層設計和多用戶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異構網(wǎng)絡中基于能效優(yōu)化的的動態(tài)資源分配問題進行了深入研究,設計相應的最優(yōu)或者次優(yōu)資源分配算法,具體的研究內(nèi)容和主要貢獻如下：1.針對FDD-OFDMA移動通信下行系統(tǒng)受限干擾的問題,提出了一種資源調(diào)度跨層設計算法。該算法在滿足目標誤包率的前提下,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)化目標函數(shù)的過程轉換成馬爾可夫決策過程(MDP),進而給出閉合解,實現(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.針對多用戶OFDMA移動通信下行系統(tǒng),以最大化系統(tǒng)能效為準則,同時考慮每個用戶的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函數(shù)進行用戶調(diào)度：然后采用二進制搜索輔助提升法(Binary Search Assisted Ascent, BSAA)進行速率分配,對于不滿足速率要求的用戶,則采用拉格朗日算法進行速率分配。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,同時又保證了用戶的QoS要求。3.針對上行多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問題進行了研究。當接收端采用迫零(ZF)接收時,以最大化系統(tǒng)能效下界為準則,提出了兩種資源分配算法。與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)只進行功率、速率分配最大化目標函數(shù)不同,所提算法通過聯(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)分數(shù)規(guī)劃的性質(zhì),把分數(shù)形式的能效函數(shù)轉換成減數(shù)形式,進而采用凸優(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。當接收端采用最大比合并(MRC)接收時,首先推導了系統(tǒng)容量下界,同時在考慮滿足用戶數(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)能效下界為準則建立優(yōu)化模型。根據(jù)分數(shù)規(guī)劃的性質(zhì),把原始的分數(shù)最優(yōu)化問題轉換成減式的形式,通過聯(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)的資源分配問題進行了研究。首先假設發(fā)射端完全已知信道狀態(tài)信息(CSI),并采用迫零(ZF)預編碼推導了系統(tǒng)容量下界表達式,同時考慮在滿足每個用戶的最低速率要求下,以最大化系統(tǒng)的能效下界為目標函數(shù),建立相應的優(yōu)化模型。由于全局最優(yōu)解難以獲得,進而提出一種低復雜度的次優(yōu)算法,該算法將整個優(yōu)化過程分兩步來完成：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上通過聯(lián)合調(diào)整基站端的發(fā)射天線數(shù)和用戶的發(fā)射功率來優(yōu)化系統(tǒng)能效。所提算法在獲得較好能效性能的同時,也能獲得較好的系統(tǒng)吞吐量性能。5.針對多小區(qū)協(xié)作大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問題進行了研究。假設該多小區(qū)協(xié)作無線通信系統(tǒng)中基站完全協(xié)作,并采用迫零(ZF)預編碼情況下,以最大化系統(tǒng)能效為準則,提出了一種資源分配方法。根據(jù)分數(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雜度同時獲得較好的能效和頻譜效率性能。6.針對大規(guī)模MIMO異構網(wǎng)絡中基于能效最優(yōu)的資源分配問題進行了研究。假設發(fā)射端采用ZF預編碼時,首先推導了系統(tǒng)的容量下界,進而在可容忍的干擾水平約束的條件下,通過聯(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)接入點的發(fā)射功率優(yōu)化能效函數(shù)。仿真結果表明,所提算法具有較好的能效性能。
【關鍵詞】：正交頻分復用 正交頻分多址 多輸入多輸出 多用戶分集 用戶調(diào)度 動態(tài)資源分配 綠色通信 能效 大規(guī)模MIMO
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 縮略詞表12-14
• 數(shù)學符號表14-15
• 第一章 緒論15-33
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 無線信道的衰落特性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技術概述20-22
• 1.3.1 OFDM技術概述20-21
• 1.3.2 OFDMA技術概述21-22
• 1.4 MIMO技術概述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)中動態(tài)資源分配技術概述26-28
• 1.6.1 多用戶OFDMA系統(tǒng)中傳統(tǒng)動態(tài)資源分配26-28
• 1.6.2 MIMO-OFDMA系統(tǒng)中的動態(tài)資源分配28
• 1.7 跨層資源分配28-29
• 1.8 能效優(yōu)化無線資源分配29-30
• 1.9 論文的研究內(nèi)容和結構安排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)模型與問題描述34-37
• 2.2.1 系統(tǒng)模型34-36
• 2.2.2 優(yōu)化目標函數(shù)36-37
• 2.3 多用戶FDD-OFDMA系統(tǒng)的跨層設計37-40
• 2.3.1 優(yōu)化算法37-40
• 2.3.2 性能分析40
• 2.4 仿真結果與分析40-43
• 2.5 小結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)模型與問題描述46-48
• 3.2.1 系統(tǒng)模型46-47
• 3.2.2 問題描述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 仿真結果與分析52-55
• 3.5 結束語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 仿真結果與分析70-76
• 4.6 小結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 仿真結果與算法復雜度分析86-91
• 5.4.1 仿真結果與分析86-87
• 5.4.2 算法復雜度分析87-91
• 5.5 小結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 仿真結果與分析97-101
• 6.5 小結101-103
• 第七章 大規(guī)模MIMO異構網(wǎng)絡中能效資源分配算法研究103-113
• 7.1 引言103
• 7.2 系統(tǒng)模型與問題描述103-105
• 7.3 大規(guī)模MIMO異構網(wǎng)絡中能效資源分配算法105-110
• 7.4 仿真結果與分析110-112
• 7.5 小結112-113
• 第八章 結論與展望113-117
• 8.1 本文工作總結113-115
• 8.2 未來研究展望115
• 8.3 結束語115-117
• 參考文獻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目129-131
• 致謝131

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 羅明勝,黃聯(lián)芬,姚彥;無線網(wǎng)絡跨層設計的研究現(xiàn)狀及展望[J];移動通信;2005年07期

2 柯煒,殷奎喜;下一代無線網(wǎng)絡中的跨層設計[J];電信快報;2005年10期

3 方旭明;馬忠建;;無線Mesh網(wǎng)絡的跨層設計理論與關鍵技術[J];西南交通大學學報;2005年06期

4 張虎;郭偉;隋麗慧;;無線網(wǎng)絡中的跨層設計[J];自動化與儀器儀表;2006年01期

5 張雪芹;周蓮英;;無線網(wǎng)絡的跨層設計[J];計算機技術與發(fā)展;2008年02期

6 許玲玲;袁東風;;Ⅱ型混合自動請求重傳技術在跨層設計中的性能研究[J];電子與信息學報;2008年04期

7 王俊毅;趙彬;謝磊;;基于認知無線網(wǎng)絡的跨層設計研究[J];科技信息;2008年30期

8 匡為君;張靜;陳迎春;仵V鋟，

本文編號：1123982