多層異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸方案研究.pdf

1、在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)商用之后，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)成為了學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，尤其是下一代移動(dòng)通信在峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、移動(dòng)性、端到端時(shí)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(yīng)這些要求，有必要在現(xiàn)有通信系統(tǒng)中引入低復(fù)雜度波束成型技術(shù)、大規(guī)模天線技術(shù)、全雙工技術(shù)、多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、干擾管理技術(shù)以及無線攜能傳輸技術(shù)等一系列新技術(shù)。本論文深入研究了“多層異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸方案研究”這一課題，針對(duì)含中繼、小小區(qū)、設(shè)備到設(shè)備

2、（Device-to-Device，D2D）通信的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸方案并進(jìn)行了性能分析。本論文研究的內(nèi)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(qiáng)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(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能分析，基于干擾消除技術(shù)的中繼增強(qiáng)型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能分析，D2D系統(tǒng)中帶服務(wù)質(zhì)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(nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下:
　　1.針對(duì)雙向多天線放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(dǎo)了所提方案中接收端信噪比的概率密度函數(shù)和累計(jì)密度函數(shù)，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了系統(tǒng)中斷概率和平均誤碼率的閉合表達(dá)式。通過推導(dǎo)和仿真可以看出，所提的天線選擇方案可以達(dá)到滿分集增益。為了進(jìn)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(jié)果顯示了所提方案相對(duì)于原有方案的性能優(yōu)勢(shì)。
　　2.針對(duì)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(zhǔn)則的天線選擇方案，并分析了采用所提方案時(shí)系統(tǒng)的性能。首先推導(dǎo)了終端用戶的接收信噪比概率密度函數(shù)的近似表達(dá)式，以及系統(tǒng)中斷概率的閉合表達(dá)式。同時(shí)研究了當(dāng)天線數(shù)目趨近無窮時(shí)的漸進(jìn)表達(dá)式。仿真結(jié)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(shí)

5、更加精確。
　　3.針對(duì)無線攜能中繼傳輸系統(tǒng)，分別提出了兩跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)攜能中繼系統(tǒng)的時(shí)隙分配方案和雙向放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼中的天線選擇方案，并研究了所提方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響。首先針對(duì)兩跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中繼端能量獲取問題，推導(dǎo)了接收信號(hào)的累積密度函數(shù)，并得到了系統(tǒng)中斷概率的漸進(jìn)表達(dá)式，給出了中斷概率、能量傳輸時(shí)隙和功率劃分因子之間的關(guān)系，并提出了基于服務(wù)質(zhì)量的時(shí)隙分配方案。然后針對(duì)雙向放大轉(zhuǎn)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(quán)中繼選擇準(zhǔn)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(zhì)量的同時(shí)也保證了無線充電節(jié)點(diǎn)的能量需求。
　　4.針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的整體性能。首先推導(dǎo)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(chǔ)上，得到了系統(tǒng)整體中斷概率的閉合表達(dá)式。理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果表明，干擾消除方案能夠有效提升異構(gòu)蜂窩

7、網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
　　5.針對(duì)多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路，同時(shí)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(duì)于小小區(qū)用戶的干擾。通過理論推導(dǎo)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(jì)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(dá)式。通過理論推導(dǎo)可以看出，小小區(qū)用戶的信噪比增益來源自宏基站側(cè)對(duì)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(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的結(jié)論。
　　6.針對(duì)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(wù)質(zhì)量的多天線選擇算法。首先針對(duì)基站內(nèi)的激活用戶和D2D用戶分別推導(dǎo)了概率密度函數(shù)和累積密度函數(shù)，進(jìn)而得到了D2D系統(tǒng)的整體中斷概率?；谕茖?dǎo)結(jié)果，提出了基于服務(wù)質(zhì)量約束的多天線選擇方案來進(jìn)一步提高基站端的能效，其中所需的天線數(shù)根據(jù)服務(wù)質(zhì)量約束和發(fā)送信噪比來確定。最后通過仿真驗(yàn)證了所做推導(dǎo)的正確性，以