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全双工无线通信网络功率分配方法研究

陈雷  
【摘要】:第五代移动通信(5G)将为用户提供更高的数据传输速率和更好的服务质量。然而,要在有限的频谱资源上实现更高的速率和更大的容量,必须对频谱进行更高效的利用。现行的无线通信系统为了避免上下行通信链路之间的干扰,一般都采用频分双工模式或时分双工模式。然而无论采用哪种双工方式,都将浪费一半的频谱资源。而全双工无线通信技术的主要目的就是通过同时同频传输,充分利用无线资源。全双工技术得以应用的一个前提是通信节点能够有效的消除和抑制无线信号同时同频传输所产生的自干扰。完整的自干扰消除与抑制过程由三个阶段组成,分别为传输域自干扰抑制、模拟域自干扰消除与数字域自干扰消除。尽管自干扰消除技术保障了无线通信系统能够工作在全双工状态,但是由于射频电路的非线性、晶振的相位噪声等因素的影响,目前还无法完全消除掉自干扰。此外对于多个全双工节点组成的无线通信网络,除了残留的自干扰外,还需面对多个节点同时同频收发产生的同信道干扰。针对全双工无线通信系统中较复杂的干扰问题,本文对全双工无线网络中的功率分配方法进行深入研究,旨在设计合理的发射功率分配算法,有效降低干扰对系统的影响,使得全双工无线通信系统的性能得以显著提升。无线中继网络和无线安全通信网络是全双工技术的两个重要应用场景。因此,本文分别针对全双工解码转发(Decode-and-forward,DF)中继网络和全双工辅助的物理层安全通信网络进行了重点的研究与分析。针对全双工DF中继网络,本文分别考虑了单载波DF中继和多载波DF中继两种传输方式。对于单天线单载波DF中继,首先对其在瑞利衰落信道下的端到端的中断概率闭合表达式进行了推导,并利用其作为了功率分配的目标函数。针对单个节点功率和总功率联合受限条件,本文提出了最优功率分配算法,并证明了最优功率分配结果位于功率限制条件的边界条件处,同时本文还推导了系统的中断概率的下界。对于多天线单载波DF中继系统,本文以匹配滤波接收机所能达到的最大信息速率为目标函数来设计功率分配方案。针对节点间发射功率分配与节点内波束成型互相耦合这一问题,本文设计了迭代功率分配方案:当给定发射波束成型矢量,节点间功率分配可以得到最优的源节点发射功率和中继节点发射功率;而在给定节点间功率分配结果时,设计了一种基于信泄噪比的波束成型方案,根据Rayleigh-Ritz Ratio定理,得到了发射波束成型的闭合表达式;最后,通过节点间功率分配和节点内功率分配的迭代完成功率分配。对于多载波DF中继,分别考虑了基于子载波的DF中继协议与基于数据块的DF中继协议。针对基于子载波的DF中继,在总功率受限时以及单个节点功率受限时,分别证明了最优功率分配问题是凸问题,并设计了相应的基于二分搜索的算法来求解对应的KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件得到最优功率分配结果,同时对大信噪比时的系统容量上限进行了推导。本文还对不存在直达路径时的功率分配问题,以及给定目标容量如何使得所需功率最小化的功率分配问题进行了研究。针对基于数据块的DF中继,本文设计一种源节点—中继节点迭代功率分配算法来使得系统容量最大化。而在源节点分配阶段或者中继节点分配阶段,利用了序列凸规划方法将非凸的限制条件转化为了一系列的凸的限制条件,从而将非凸优化问题转化为了一系列的凸优化问题进行求解。对于全双工辅助的多载波物理层安全通信网络,目的节点在接收期望信号的同时还利用全双工方式对非授权节点发送干扰信号。对于这种拓扑结构,本文采用了系统的安全容量作为目标函数设计功率分配算法,以提高网络的安全性能。本文首先将不可微的安全容量函数转化为了可微的形式,并给出了目的节点的子载波可以利用全双工模式发射干扰信号的必要条件,并确定了采用源节点和目的节点迭代分配的功率分配策略。当仅有功率受限时,尽管源节点分配阶段与目的节点分配阶段所面对的优化问题都是非凸的,通过求解KKT条件,并结合系统特性,得到了源节点分配阶段和目的节点分配阶段的最优解,同时还推导了系统的安全容量的上界。而当系统功率与目标速率联合受限时,源节点分配阶段所得到的KKT条件可以直接通过二维二分搜索进行求解,而目的节点功率分配阶段是复杂的非凸优化问题,通过序列凸规划算法将非凸问题转化为了一系列的凸问题进行迭代求解。最后,本文还将所设计的两阶段迭代功率分配算法,通过递归处理,拓展到了多个目的节点网络拓扑和多个源节点网络拓扑。本文的研究内容验证了采用正确的功率分配算法可以有效的提高全双工DF中继网络以及全双工辅助的物理层安全通信网络的性能。因此对于全双工无线网络,功率分配是保证系统性能的关键技术之一。


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