LTE-Advanced系統(tǒng)中無(wú)線資源分配技術(shù)研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及移動(dòng)用戶對(duì)高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的不斷提升，移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了由模擬系統(tǒng)到第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)的多次變革與演進(jìn)。LTE-Advanced系統(tǒng)作為準(zhǔn)4G系統(tǒng)—LTE的進(jìn)一步演進(jìn)，通過(guò)引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)(CoMP)傳輸、終端直通(D2D)通信等多種關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到提高系統(tǒng)頻譜效率、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力、降低小區(qū)基站負(fù)載的目標(biāo)。另一方面，LTE-Advanced系統(tǒng)中伴隨著多媒體業(yè)務(wù)的急劇增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)容，所產(chǎn)生的能源緊缺

2、和環(huán)境污染問(wèn)題也愈加嚴(yán)重，在未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)中，頻譜效率的提升不再是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，非可再生能源供給下的能量效率以及綠色能源供給下的網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)性，已成為新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　　然而由于移動(dòng)通信系統(tǒng)中無(wú)線資源的稀缺性與無(wú)線信道的不穩(wěn)定性，如何對(duì)有限的資源進(jìn)行合理配置以滿足用戶的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)的各類性能指標(biāo)，是LTE-Advanced系統(tǒng)需要研究的核心問(wèn)題。本論文對(duì)LTE-Advanced系統(tǒng)中的無(wú)線資源分配技術(shù)進(jìn)

3、行了深入的研究，針對(duì)CoMP網(wǎng)絡(luò)和D2D輔助通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，采用智能群體優(yōu)化、凸優(yōu)化、分?jǐn)?shù)規(guī)劃以及排隊(duì)論等技術(shù)手段，提出了關(guān)于能量資源、時(shí)頻資源和空域資源的優(yōu)化分配策略。本文將性能指標(biāo)的演進(jìn)作為貫穿全文的線索，按照由頻譜效率到能量效率再到能量供給可持續(xù)性的順序逐層展開(kāi)，形成了以下幾個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新:
　　1.針對(duì)CoMP JT網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，分別從啟發(fā)式和最優(yōu)化兩個(gè)角度出發(fā)研究了基于容量最優(yōu)的頻譜資源分配策略。對(duì)于啟發(fā)式的頻譜資源

4、分配策略，首先提出了一種半動(dòng)態(tài)協(xié)作集合選擇方法，解決了協(xié)作節(jié)點(diǎn)選取問(wèn)題中性能與復(fù)雜度開(kāi)銷之間的矛盾，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適用于協(xié)作集重疊的頻譜資源分配算法，該算法為中心用戶和邊緣用戶提供平等的機(jī)會(huì)去使用頻譜資源，在保證用戶公平性的同時(shí)提升了小區(qū)用戶的平均吞吐量。接下來(lái)從最優(yōu)化的角度出發(fā)，提出了基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化的頻譜資源分配策略，該策略重點(diǎn)分析了邊緣用戶性能與系統(tǒng)整體性能之間的關(guān)系，通過(guò)引入邊緣用戶權(quán)重因子控制目標(biāo)函數(shù)中邊緣用戶吞吐量所

5、占比例，構(gòu)建了CoMP JT下頻譜分配的有約束非線性0-1規(guī)劃模型，并根據(jù)問(wèn)題模型對(duì)二進(jìn)制變量?jī)?yōu)化、約束處理和加速收斂等方面進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步形成了適用于CoMP JT頻譜資源分配的二進(jìn)制約束型粒子群優(yōu)化算法，該算法通過(guò)調(diào)整權(quán)重因子的取值有效地均衡了邊緣用戶和系統(tǒng)整體的性能，在權(quán)重因子設(shè)置合理的情況下相比于現(xiàn)有方法對(duì)邊緣用戶吞吐量和系統(tǒng)整體吞吐量均有較大的提升。
　　2.針對(duì)蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于容量最優(yōu)的頻譜與功率分

6、配策略。該策略通過(guò)對(duì)D2D用戶復(fù)用蜂窩上行鏈路資源時(shí)的干擾場(chǎng)景進(jìn)行分析，以最大化系統(tǒng)總?cè)萘繛槟繕?biāo)對(duì)蜂窩用戶與D2D用戶的資源分配進(jìn)行全局統(tǒng)一建模，該模型不再限制使用相同頻譜資源的D2D用戶數(shù)以及D2D用戶可復(fù)用的資源數(shù)，從而提升了D2D資源復(fù)用的自由度。為了降低求解復(fù)雜度將容量?jī)?yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了兩階段資源分配策略。首先基于增量貪婪的思想，提出了改進(jìn)的貪婪頻譜分配算法，算法中通過(guò)引入用戶交換和剔除操作避免分配結(jié)果陷入

7、局部最優(yōu);在頻譜分配結(jié)果確定后，采用拉格朗日對(duì)偶理論將功率優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的對(duì)偶域求解，并提出了基于兩層迭代的最優(yōu)功率分配算法。以上資源分配策略根據(jù)信道狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)調(diào)整蜂窩用戶與D2D設(shè)備所使用的RB以及在各RB上的傳輸功率，在保證蜂窩用戶性能的基礎(chǔ)上提升了D2D用戶的傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘俊?br>　　3.針對(duì)CoMP CS/CB下行多天線場(chǎng)景，分別提出了基于能量效率最大化和基于能量效率-頻譜效率折中的協(xié)調(diào)用戶調(diào)度、波束賦形和功率分

8、配策略。為了有效地度量網(wǎng)絡(luò)的能量效率，首先綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)處理、回程鏈路損耗等各方面的能量消耗，對(duì)多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)的總功耗進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，進(jìn)而結(jié)合系統(tǒng)總?cè)萘糠治霁@得能效優(yōu)化目標(biāo)?；谠撃繕?biāo)針對(duì)第一類能效最大化問(wèn)題構(gòu)建了關(guān)于波束賦形向量與用戶調(diào)度策略的分?jǐn)?shù)規(guī)劃模型，然后基于丁克爾巴赫定理將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為含參量的非分?jǐn)?shù)形式等價(jià)問(wèn)題并采用牛頓迭代算法對(duì)最優(yōu)能效進(jìn)行求解。對(duì)于牛頓迭代算法中內(nèi)嵌的子優(yōu)化問(wèn)題，分別設(shè)計(jì)了基于一階最優(yōu)條件的迭代波束賦

9、形向量?jī)?yōu)化算法和改進(jìn)的貪婪用戶調(diào)度算法。所提算法能夠快速收斂到能效最優(yōu)解，并且對(duì)系統(tǒng)能量效率有較大的提升。對(duì)于第二類基于能量效率-頻譜效率折中的無(wú)線資源優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)引入最低速率約束使得每個(gè)用戶的傳輸質(zhì)量得到有效保證。在問(wèn)題的求解過(guò)程中，首先綜合牛頓迭代算法和二分法的優(yōu)勢(shì)，采用基于改進(jìn)二分搜索的資源分配算法進(jìn)行能效尋優(yōu)，隨后進(jìn)一步提出了基于一階凸近似的子問(wèn)題求解方法和基于比特加載的速率約束優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，所提算法通過(guò)調(diào)整最低速率

10、限制實(shí)現(xiàn)了用戶速率與能量效率的有效均衡。
　　4.針對(duì)可再生能源供給的CoMP網(wǎng)絡(luò)和蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)，分別設(shè)計(jì)了基于能量可持續(xù)性的無(wú)線資源分配策略。由于可再生能源的供給能力具有高動(dòng)態(tài)時(shí)變特性，因此基站中儲(chǔ)能的變化過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，首先借助排隊(duì)理論，對(duì)能量變化過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，將該過(guò)程建模為G/G/1排隊(duì)模型，并進(jìn)一步推導(dǎo)出了關(guān)于能量可持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的條件概率密度函數(shù)和均值表達(dá)式。接下來(lái)對(duì)可再生能源供給CoMP網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線資源

11、分配問(wèn)題進(jìn)行抽象建模，在建模過(guò)程中為了保證網(wǎng)絡(luò)整體的不間斷通信和各基站之間的公平性，將最大化最小能量可持續(xù)時(shí)長(zhǎng)作為資源分配的優(yōu)化目標(biāo)，并綜合考慮了用戶的QoS需求。對(duì)于問(wèn)題的求解，結(jié)合能量可持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)特性分析獲得了關(guān)于基站傳輸功率的兩個(gè)等價(jià)約束，并提出了一種低復(fù)雜度的半分布式迭代資源分配算法，該算法在保證用戶傳輸性能的基礎(chǔ)上提升了CoMP網(wǎng)絡(luò)整體的可持續(xù)性。最后研究了可再生能源供電下D2D通信網(wǎng)絡(luò)的功率分配問(wèn)題，通過(guò)變量代換克服了原