高能效的無線資源管理技術研究.pdf

1、無線通信技術的發(fā)展和網絡規(guī)模的擴大，導致了能量消耗爆炸式的增長，現(xiàn)有移動通信行業(yè)已經成為高能耗的產業(yè)。隨著高速率無線通信業(yè)務需求的不斷增長，通信系統(tǒng)的能耗會進一步增加。綠色節(jié)能的通信網絡已經成為不可避免的發(fā)展趨勢。另外，移動通信系統(tǒng)中的無線資源是有限的，并且日益緊缺，例如:功率資源、時間資源、頻率資源、空間資源等。如何通過合理的資源配置獲得更高的系統(tǒng)性能，一直是無線通信技術研究的重要內容。目前，高容量和高頻譜效率不再是無線資源管理追求的

2、單一目標。本論文主要從能量效率最優(yōu)的角度，對無線資源管理問題進行了研究。通過對無線資源進行有效地配置，獲得最優(yōu)的系統(tǒng)能量效率，同時滿足無線網絡的各種需求。
　　首先，研究了多天線多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)高能效的下行傳輸方法。在保證用戶最小速率要求的前提下，以系統(tǒng)能量效率為目標，進行聯(lián)合的波束成型和功率分配的設計。將問題描述為一個非線性的分數(shù)規(guī)劃，并且包含非凸的約束條件。由于小區(qū)間干擾的存在和目標函數(shù)的分數(shù)結構，考慮采用多小區(qū)協(xié)作迫零的波束成

3、型方案，消除干擾，從而簡化目標函數(shù)和約束條件的非凸形式。采用參數(shù)化的轉換對分數(shù)規(guī)劃問題進行非分數(shù)的處理，并采用迭代算法計算輔助參數(shù)?？紤]到協(xié)作迫零波束成型進行零空間的分解計算的復雜性，采用一種波束跟蹤的方法進行簡化處理。在給定波束成型矩陣后，求解了能效最優(yōu)的功率分配問題。仿真結果表明，該方案的能量效率性能優(yōu)于傳統(tǒng)的最大化系統(tǒng)容量的傳輸方案，并且對于慢變信道，該方案能夠以更低的復雜度獲得與傳統(tǒng)空間分解方法接近的能量效率性能。
　　其

4、次，研究了多小區(qū)正交頻分多址接入(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)系統(tǒng)高能效的資源分配方法。該方案基于非完美的信道狀態(tài)信息進行資源分配的設計，并通過基站間的協(xié)作來處理同信道干擾。提出一種聯(lián)合的用戶調度、速率分配和功率分配算法，最大化系統(tǒng)能量效率。由于目標函數(shù)和約束條件的概率化限制，通過對約束條件的轉化和近似，推導了速率變量與其他優(yōu)化變量的函數(shù)關系?？紤]到優(yōu)化問題的混

5、合非凸性質，即功率變量的連續(xù)性和用戶調度變量的離散性，采用一種交替計算的迭代算法，并證明了算法的收斂性。然后分別計算了能效最優(yōu)的用戶調度和能效最優(yōu)的功率分配。對功率分配子問題進行了下界縮放和參數(shù)化轉換，并且當?shù)^程收斂時下界是緊的。通過最優(yōu)的能量效率的折衷函數(shù)曲線，分析了算法中最優(yōu)能量效率的一些有用性質。仿真結果表明，雖然最優(yōu)問題是非凸的，提出的方案可以得到與最優(yōu)能效的上界接近的能效性能。與傳統(tǒng)資源分配方案（如譜效最大化方案、不考慮信

6、道誤差的方案和等功率輪詢調度方案等）相比，該方案可以獲得更高的能效性能。同時，當存在同信道干擾時，提出的算法能夠以很低的吞吐量損失，獲得較大的能效增益。
　　再次，研究了異構網絡高能效的資源分配方法。該資源分配方案以權重能效為目標，即不同類型的基站具有不同的能效權重。將優(yōu)化問題描述為一個非線性的分數(shù)求和優(yōu)化問題，并且同時考慮每個用戶的最小速率要求。為了處理優(yōu)化問題的混合非凸形式，采用一種兩步方案，即分開處理子信道分配和功率分配問題

7、。初始化一個功率分配，提出一種啟發(fā)式的子信道分配方案。首先找到距離速率要求最遠的用戶，再將該用戶具有最高信干噪比的子信道分配給它。當所有用戶的速率需求滿足后，每個子信道上以最大的信干噪比的方式進行用戶選擇。對于給定的子信道分配，通過一階近似將目標函數(shù)進行線性化，然后通過參數(shù)化方法對分數(shù)求和算法進行處理，并通過一個兩層迭代算法獲得功率分配。仿真結果表明，提出的算法需要很少的迭代次數(shù)就可以達到收斂，并且可以獲得比全局能效最大化算法和譜效最大

8、化算法更高的權重能效性能。另外，所提出的算法在宏基站和微微基站之間存在能量效率的折衷關系。
　　然后，研究了中繼輔助的OFDMA系統(tǒng)高能效資源分配問題?？紤]多中繼多用戶的蜂窩系統(tǒng)，采用解碼轉發(fā)中繼協(xié)議。在保證系統(tǒng)最小速率的前提下，該資源分配算法以能量效率最大化為目標。通過基站到中繼和中繼到用戶兩個時隙的聯(lián)合速率分配、功率分配和子載波分配，獲得最大的系統(tǒng)能量效率，保證最小速率和中斷概率等服務質量要求。為了獲得全局最優(yōu)解，對優(yōu)化問題的

9、子載波分配變量進行了連續(xù)化松弛，使得所有優(yōu)化變量（速率變量、功率變量、載波分配變量）統(tǒng)一為連續(xù)變量。可以證明，最終的載波分配可以獲得和沒有松弛時相同的性能，即保證方案的全局最優(yōu)性。對優(yōu)化問題進行了參數(shù)化的處理，并通過二分法進行了求解。由于在解碼轉發(fā)協(xié)議中，鏈路的容量為兩時隙的鏈路容量的最小值，所以每次迭代中需要求解的問題是一個最大化最小問題。通過引入輔助變量將該問題轉換為上鏡圖形式，并在對偶問題求解時通過最優(yōu)性判斷消除了新引入的輔助變量

10、，獲得全局最優(yōu)的資源分配解。另外，采用了比例公平的機制進行了能效方案的設計，平衡系統(tǒng)的能量效率和用戶的公平性。仿真結果表明，與傳統(tǒng)方案相比，提出的方案可以獲得更高的能效性能。同時，系統(tǒng)能效與譜效、系統(tǒng)能效與用戶公平性、系統(tǒng)譜效與用戶公平性存在一定的折衷關系。
　　最后，研究了中繼輔助的蜂窩系統(tǒng)低復雜度的高能效功率分配和速率自適應方案?？紤]多中繼多用戶的蜂窩系統(tǒng)，采用前向放大中繼協(xié)議。該資源分配以能量效率為目標，同時考慮系統(tǒng)的最小速

11、率限制和最大發(fā)射功率限制等約束條件。通過兩個時隙聯(lián)合的功率和速率的分配設計，獲得最大的系統(tǒng)能量效率和低復雜度最優(yōu)的資源分配方案。考慮到問題的非凸性，利用高信噪比近似和參數(shù)化轉換的方法，對優(yōu)化問題進行了求解。一般地，分數(shù)規(guī)劃問題需要迭代求解，并且在迭代過程中，需要多次求解多約束的優(yōu)化問題。根據(jù)最優(yōu)解的可行域范圍，分別研究了該優(yōu)化問題的最優(yōu)解可能出現(xiàn)的幾種形式，并分別進行了求解。然后利用二分法的上下界特殊的更新形式，以及最優(yōu)能效與功率和速率