單小區(qū)多用戶通信系統(tǒng)中基于能量效率的無線資源管理研究.pdf

1、隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的承載能力與覆蓋規(guī)模不斷提升，人們對無線業(yè)務的使用頻率與依賴程度也越來越高。然而，在追求更高的數據速率、更寬的通信頻帶、更密集的無線覆蓋的同時，無線通信與自然環(huán)境、人類社會間的不和諧因素也日趨明顯，這主要體現在巨大的能源消耗造成的資源浪費以及伴隨而來的環(huán)境污染。同時，無線通信的用戶多是能量受限的終端設備，無線通信使用率的快速增長與發(fā)展相對緩慢的電池、電源技術導致終端側的用戶體驗出現“電池瓶頸”。因

2、此，本著節(jié)約電能方面的經濟支出、減少對環(huán)境的有害影響、延長用戶的有效通信時間，通過優(yōu)化能量效率的鏈路級傳輸技術提高能量效率是一個亟待解決的問題。
　　無線資源管理的各個方面，包括功率分配、頻譜分配、用戶調度和接入控制，在已有的研究中多是優(yōu)化頻譜效率的，而頻譜效率與能量效率是一種折中的關系。如何權衡能量效率與QoS（Quality of Service）需求是無線資源管理面臨的挑戰(zhàn)。現有優(yōu)化能量效率的無線資源管理存在的缺陷包括:沒有

3、考慮上行系統(tǒng)能量效率優(yōu)化特性，算法設計還有提升系統(tǒng)能量效率的空間;沒有基于能量效率的接入控制算法應對單小區(qū)網絡用戶峰值業(yè)務量超過網絡承載能力的場景;沒有考慮不同業(yè)務類型的特性差異對能量效率的需求與影響。作為上述問題的探討，本文面向單小區(qū)OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）場景，以優(yōu)化能量效率的無線資源管理為主題，以能量效率與QoS需求的權衡為主線展開研究。本文的主要工作如下:<

4、br>　　1)面向單小區(qū)多用戶場景，建立上行鏈路功率與子信道分配問題的最優(yōu)化數學模型，優(yōu)化的目標是最大化系統(tǒng)中所有用戶能量效率的算術和，同時保證所有用戶的最小數據速率要求。此模型的優(yōu)化函數考慮上行鏈路用戶間的獨立性，因為無論是用戶的發(fā)送功率，還是用戶可獲得的吞吐量或能量效率都是獨立的。所建立的最優(yōu)化模型是一個混合整數非線性規(guī)劃問題，使用窮舉法計算復雜度高。因此，我們提出低復雜度的功率與子信道分配算法。該算法是保證用戶最小數據速率需求與最

5、大化系統(tǒng)能量效率的折中的有效手段。仿真結果表明，相比現有上行鏈路能效優(yōu)化的資源分配方案，所提的算法在保證用戶的數據速率需求的同時具有較好的系統(tǒng)能量效率。
　　2)面向用戶峰值業(yè)務量超過網絡可承載業(yè)務量的網絡模型，將能量效率拓展到接入控制模塊，進一步增強能量效率。提出基于能量效率的接入控制的新準則，通過該準則，為系統(tǒng)建立能量效率與用戶公平性的折中。同時，設計計算復雜度在可接受范圍內的聯(lián)合接入控制和資源分配算法，在盡可能多的服務網絡中

6、用戶的情況下優(yōu)化能量效率。在仿真結果中分析最小數據速率需求、電路功率、用戶優(yōu)先級等參數對能量效率的影響。
　　3)面向多業(yè)務類型的場景，將應用層的業(yè)務特征差異引入優(yōu)化能量效率的研究范疇。建立下行鏈路基于能效效用函數最優(yōu)化的數學模型，提出基于能量效率的效用函數的新概念:單位能量消耗所獲得的用戶滿意度，并對模型最優(yōu)解的必要條件進行理論證明?；跀祵W理論將原分數優(yōu)化問題轉化為等效的凸優(yōu)化問題的思想，設計基于能效效用函數的功率和子信道分配