無線異構(gòu)網(wǎng)的高效自適應(yīng)資源分配與優(yōu)化.pdf

1、未來高容量和強(qiáng)覆蓋性的通信網(wǎng)絡(luò)中，由宏基站、中繼站和微微基站等低功率站點(diǎn)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)受到了廣泛關(guān)注。過去的十幾年，大部分的研究都是通過設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來改善小區(qū)的頻譜效率進(jìn)而提高小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)吞吐率。但為了滿足用戶日益增長的數(shù)據(jù)需求和無處不在的接入需求，急需對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行快速的擴(kuò)張，由此引入了巨大的能量消耗，隨著引入低功率站點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的能耗單元也相應(yīng)地增加，所以無線異構(gòu)網(wǎng)的能效問題變得更為關(guān)鍵。如何在保障用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS)的情況下，

2、保證系統(tǒng)擁有高能效，也是現(xiàn)今通信技術(shù)發(fā)展的趨勢。本文以下行鏈路的無線資源分配為基本研究對象，結(jié)合時域、頻域、功率域等方面的技術(shù)，以高的頻譜效率或高能效為目標(biāo)，對異構(gòu)網(wǎng)中，中繼網(wǎng)絡(luò)和宏-微微網(wǎng)絡(luò)的路徑選擇、資源調(diào)度及分配、干擾協(xié)調(diào)等算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　首先，提出一種解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)中繼系統(tǒng)中聯(lián)合部分頻率復(fù)用和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)（AMC）的載波分配方案。該方案采用了全雙工、雙天線的DF中繼模式來提高時隙資源利用率，利用AMC技術(shù)對干擾

3、容忍的特性，動態(tài)復(fù)用基站(BS)和中繼站(RS)所使用的頻率來提高頻譜利用率，從而獲得高能效的傳輸速率。這種聯(lián)合部分頻率復(fù)用方法和全復(fù)用中繼模式的方案比起單天線半雙工中繼模式，能提升較大的系統(tǒng)吞吐率。
　　其次，基于離散調(diào)制水平集合，提出了非再生中繼多用戶網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和載波、比特分配的聯(lián)合優(yōu)化方案。該方案在用戶速率限制的條件下，通過使發(fā)送功率最小來達(dá)到提升能效的目的。首先，基于初始問題的目標(biāo)，提出了一個基于放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼系

4、統(tǒng)的低復(fù)雜度的中繼選擇方案。然后根據(jù)中繼選擇所得結(jié)果，將中繼用戶的兩跳鏈路虛擬成直傳鏈路，由此將中繼小區(qū)問題轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)問題，進(jìn)行載波、比特的分配。最后，考慮中繼最大功率的限制，對超負(fù)荷的中繼進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。通過分析結(jié)果可知，本文所提次優(yōu)方案，在降低了初始問題算法復(fù)雜度的同時，所得的結(jié)果接近最優(yōu)方案。而且，本文所提中繼選擇方案較傳統(tǒng)的中繼選擇方案，降低了系統(tǒng)的功耗。
　　再次，基于離散調(diào)制水平集合和機(jī)會網(wǎng)絡(luò)編碼，提出了再生

5、中繼網(wǎng)絡(luò)中一種中繼選擇和載波、比特分配的聯(lián)合優(yōu)化方案。該方案根據(jù)信道狀態(tài)，機(jī)會地引入網(wǎng)絡(luò)編碼從而提高頻譜利用率，在用戶速率限制的條件下，通過使每幀的發(fā)送功率最小來達(dá)到提升能效的目的。該方案將中繼選擇和載波、比特分配進(jìn)行分步求解，得到一個次優(yōu)解。其中，利用本文所提中繼選擇方案，會使更多的用戶選擇中繼，這為網(wǎng)絡(luò)編碼提供了更多的機(jī)會。而所提的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)編碼分配方案根據(jù)信道狀態(tài)機(jī)會地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，所以比固定網(wǎng)絡(luò)編碼分配方案和無網(wǎng)絡(luò)編碼方案大大節(jié)約

6、了系統(tǒng)的功耗。
　　然后，基于DF中繼和AF中繼的正交頻分多路復(fù)用(OFDM)頻率選擇性鏈路，分別提出了最優(yōu)能效的功率分配方案。這兩個方案在證明了最優(yōu)解存在且唯一的情況下，考慮了電路所耗功率的影響。其中，DF中繼鏈路的功率方案利用DF中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)的特性，將兩跳鏈路分離進(jìn)行求解，通過比較選取最好的分配方式，該方法可求出最大化能效的最優(yōu)功率解，是DF中繼鏈路能效上界;而AF中繼鏈路的功率分配方案包含兩個步驟，先根據(jù)信道進(jìn)行載波分配，并

7、根據(jù)載波配對的結(jié)果，將AF中繼鏈路虛擬成一跳頻選鏈路，然后利用一跳頻選鏈路的方法進(jìn)行功率分配，該AF中繼鏈路能效自適應(yīng)優(yōu)化方法可獲得逼近最優(yōu)解的次優(yōu)解。此外，DF中繼和AF中繼的鏈路方案都考慮了速率和功率限制下的功率分配方法，并分析了其對能效的影響。
　　接下來，在總功率和用戶速率均有限制的要求下，提出了用戶非均勻分布的AF中繼小區(qū)下行鏈路中繼選擇和功率分配聯(lián)合優(yōu)化方案。利用AF中繼鏈路的虛擬增益，將中繼問題轉(zhuǎn)換為單跳小區(qū)問題，并

8、用注水算法求得次優(yōu)的功率分配。該算法可較好地逼近最優(yōu)解，得到總能效的下邊界。此外，由于電路功耗在系統(tǒng)總能耗中占有較大比例，為了進(jìn)一步節(jié)約能耗，從而提高能效，該方案引入了中繼和基站的休眠模式，根據(jù)用戶分布情況關(guān)閉負(fù)載較低的站點(diǎn)，從而以較小的容量損失，獲得更高的能效。
　　最后，在由宏小區(qū)和微微小區(qū)組成的同頻異構(gòu)網(wǎng)中，提出了一種時域資源分配與低功率-幾乎空白子幀(ABS)功率分配的聯(lián)合優(yōu)化方案。該方案通過動態(tài)協(xié)調(diào)宏小區(qū)之間、微小區(qū)之間