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《北京邮电大学》 2014年
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分层异构无线网络中高能效协同通信技术研究

江甲沫  
【摘要】:随着信息与通信技术的飞速发展,无线通信系统在满足日益增长的业务需求的同时,其每年的能量消耗也在急剧增加。如何减少无线通信系统的能耗和提高网络的能效,已经成为当前研究的热点和难点问题。分层异构无线网络通过部署低功耗节点提升网络容量,同时缩短基站与用户之间的传输距离进而减小基站的发射功率,因此被视为一种高能效的先进组网方法。 由于引入了低功耗节点,使网络干扰特性和无线资源管理算法变得更加复杂。但是,利用异构节点之间共享的信道质量信息、资源分配信息和预编码信息,通过协同通信技术可以显著提高系统能效。本论文首先对分层异构无线网络的高能效组网特性进行分析,为后续研究提供理论基础。然后提出基于频域资源优化、空域资源优化和二者联合优化的高能效资源管控算法。本论文的主要研究内容和创新点可以总结为: 1.分层异构无线网络的高能效组网特性研究 为了探索提升分层异构无线网络下行链路能效性能的协同资源管控方法,本论文分别针对频谱正交和复用的资源分配方式,推导得出不同节点个数和位置时系统谱效和能效的理论表达式。在此基础上,分析不同参数与系统能量效率之间的关系。通过基于理论表达式的数值仿真和蒙特卡洛系统级仿真,验证所得理论表达式的正确性,研究了发射功率、用户信道质量、节点基础能耗、频谱资源数量对系统能效的影响,分析了不同组网方案下系统谱效和能效之间的制衡关系,为后续研究提供了理论基础。 2.基于频域资源优化的高能效协同通信技术研究 分层异构无线网络中的跨层干扰会严重影响系统能效。本论文利用异构节点之间共享的信道质量和资源分配信息,提出频域资源的高能效协同管控方案。首先提出基于小区范围扩展和跨层干扰协调的高能效资源分配问题。在满足用户服务质量、跨层干扰限制和发射功率受限的条件下,所提优化问题为非凸优化问题。通过非线性分式规划理论将所提优化问题进行等价转化,并且提出一种高效的迭代求解算法。在证明所提算法收敛性的基础上,每次迭代过程中通过拉格朗日对偶分解法进行求解。通过计算机仿真验证,所提算法经过较少的迭代次数即可收敛到最终解,相比不采用跨层干扰协调,所提算法在微微基站边缘用户数较多且服务质量需求较高时,可以给微微基站带来大约70%的能效增益。 3.基于空域资源优化的高能效协同通信技术研究 针对分层异构无线网络中宏基站、微基站和用户端均配置多天线的场景,本论文利用节点之间共享的信道质量和预编码信息,通过协同优化空域资源提高网络能效。首先给出考虑用户服务质量需求和发射功率限制的能效优化问题,由于跨层干扰和小区间干扰的存在导致所提问题为非凸优化问题。因此,根据宏基站和微基站的天线个数,提出一种空域干扰对齐方案,完全消除跨层干扰和小区间干扰,将所提的非凸优化问题分解为微基站和宏基站独立的子优化问题。在此基础上,微基站采用基于特征值分解的高能效功率分配算法,宏基站采用基于块对角化或脏纸编码的高能效功率分配算法,进一步提升网络能效。通过计算机仿真验证,随着天线数量的增加,所提算法可以有效改善能效与谱效之间的制衡关系,在不降低能效的同时提升谱效。相比其它算法,所提算法可以获得大约60%的能效增益。 4.基于频域和空域资源联合优化的高能效协同通信技术研究 对于未来分层异构无线网络,密集部署和集中控制将成为两个非常重要的技术特点。利用节点之间的共享信息,本论文进一步研究联合考虑频域和空域资源的高能效协同通信技术。在满足用户服务质量需求、跨层干扰和发射功率受限的前提下,以最大化能量效率为目标,给出了联合考虑小基站选择、资源块分配、预编码设计和功率分配的优化问题。通过将所提非凸优化问题分解为三个子问题,包括资源块分配和预编码设计子问题、功率分配子问题和小基站选择子问题,提出次优的高能效资源分配算法。仿真结果表明,所提算法相比基于统计特性的基站选择算法,在跨层干扰较低时可以获得大约14%的能效增益;在跨层干扰较高时可以获得大约25%的能效增益。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN929.5

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