多層異構無線通信網(wǎng)絡中的高效傳輸方案研究.pdf

1、在第四代移動通信系統(tǒng)商用之后，下一代移動通信系統(tǒng)成為了學術界研究的熱點，尤其是下一代移動通信在峰值速率、用戶體驗速率、移動性、端到端時延、連接數(shù)密度、流量密度等方面所提出的新要求。為了適應這些要求，有必要在現(xiàn)有通信系統(tǒng)中引入低復雜度波束成型技術、大規(guī)模天線技術、全雙工技術、多層異構網(wǎng)絡技術、干擾管理技術以及無線攜能傳輸技術等一系列新技術。本論文深入研究了“多層異構無線通信網(wǎng)絡中的高效傳輸方案研究”這一課題，針對含中繼、小小區(qū)、設備到設備

2、（Device-to-Device，D2D）通信的多層異構網(wǎng)絡，考慮天線選擇、全雙工、無線攜能傳輸?shù)葐栴}，研究了多層異構無線通信網(wǎng)絡中的高效傳輸方案并進行了性能分析。本論文研究的內容包括Nakagami-m信道下雙向中繼天線選擇及性能分析，基于全雙工的雙向中繼天線選擇及性能分析，中繼增強型無線攜能傳輸系統(tǒng)高效傳輸方案研究，基于干擾消除技術的異構網(wǎng)絡性能分析，基于干擾消除技術的中繼增強型異構網(wǎng)絡性能分析，D2D系統(tǒng)中帶服務質量(Quali

3、ty-of-Service，QoS)約束的多天線選擇及性能分析。具體研究內容和主要貢獻如下:
　　1.針對雙向多天線放大轉發(fā)和譯碼轉發(fā)中繼系統(tǒng)中的天線選擇問題，提出了基于最大最小準則的天線選擇方案，并研究了在所提方案的情況下雙向中繼系統(tǒng)的性能。首先推導了所提方案中接收端信噪比的概率密度函數(shù)和累計密度函數(shù)，在此基礎上推導了系統(tǒng)中斷概率和平均誤碼率的閉合表達式。通過推導和仿真可以看出，所提的天線選擇方案可以達到滿分集增益。為了進一步提

4、升系統(tǒng)的頻譜效率，我們提出了一種混合天線選擇方案。數(shù)值仿真結果顯示了所提方案相對于原有方案的性能優(yōu)勢。
　　2.針對雙向大規(guī)模天線全雙工中繼系統(tǒng)，提出了一種基于最大最小準則的天線選擇方案，并分析了采用所提方案時系統(tǒng)的性能。首先推導了終端用戶的接收信噪比概率密度函數(shù)的近似表達式，以及系統(tǒng)中斷概率的閉合表達式。同時研究了當天線數(shù)目趨近無窮時的漸進表達式。仿真結果表明，所做的理論分析能夠有效的反映系統(tǒng)的可靠性，特別是在發(fā)送信噪比比較大時

5、更加精確。
　　3.針對無線攜能中繼傳輸系統(tǒng)，分別提出了兩跳譯碼轉發(fā)攜能中繼系統(tǒng)的時隙分配方案和雙向放大轉發(fā)中繼中的天線選擇方案，并研究了所提方案對系統(tǒng)性能的影響。首先針對兩跳譯碼轉發(fā)系統(tǒng)中繼端能量獲取問題，推導了接收信號的累積密度函數(shù)，并得到了系統(tǒng)中斷概率的漸進表達式，給出了中斷概率、能量傳輸時隙和功率劃分因子之間的關系，并提出了基于服務質量的時隙分配方案。然后針對雙向放大轉發(fā)系統(tǒng)用戶端能量獲取問題，基于最優(yōu)接收信噪比、最優(yōu)接收

6、能量以及加權中繼選擇準則給出了三種中繼選擇方案。所提方案在保證系統(tǒng)傳輸質量的同時也保證了無線充電節(jié)點的能量需求。
　　4.針對異構網(wǎng)絡下行鏈路中的干擾問題，以降低宏基站到小小區(qū)的干擾為準則提出了基站端干擾消除算法，并分析了采用此種方案后異構網(wǎng)絡下行鏈路的整體性能。首先推導了宏基站和小小區(qū)用戶接收端信噪比的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)。在此基礎上，得到了系統(tǒng)整體中斷概率的閉合表達式。理論推導和仿真結果表明，干擾消除方案能夠有效提升異構蜂窩

7、網(wǎng)絡的整體性能。
　　5.針對多層異構網(wǎng)絡下行鏈路，同時考慮宏基站直接傳輸和中繼輔助傳輸，在宏基站端提出了干擾消除算法來消除宏基站對于小小區(qū)用戶的干擾。通過理論推導得到了宏基站用戶和小小區(qū)用戶接收信噪比的概率密度函數(shù)和累計密度函數(shù)，并且給出了系統(tǒng)中斷概率和平均誤碼率的閉合表達式。通過理論推導可以看出，小小區(qū)用戶的信噪比增益來源自宏基站側對于跨層干擾的消除。所以干擾消除能夠有效改善小小區(qū)的性能，而系統(tǒng)整體性能也因此得到改善。數(shù)值仿真

8、結果驗證了理論推導的結論。
　　6.針對D2D通信系統(tǒng)，研究了基站端多天線選擇問題，分析了該D2D系統(tǒng)的整體性能，并提出了基于系統(tǒng)服務質量的多天線選擇算法。首先針對基站內的激活用戶和D2D用戶分別推導了概率密度函數(shù)和累積密度函數(shù)，進而得到了D2D系統(tǒng)的整體中斷概率?；谕茖ЫY果，提出了基于服務質量約束的多天線選擇方案來進一步提高基站端的能效，其中所需的天線數(shù)根據(jù)服務質量約束和發(fā)送信噪比來確定。最后通過仿真驗證了所做推導的正確性，以