無線通信網(wǎng)絡(luò)中基于預(yù)編碼的多用戶功率優(yōu)化理論研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和信息化進(jìn)程的快速推進(jìn)，不同網(wǎng)絡(luò)制式、不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、不同業(yè)務(wù)形式的信息系統(tǒng)趨于融合，信息的流通方式發(fā)生重大變革。這其中，無線通信扮演著越來越重要的角色并呈現(xiàn)出泛在、異構(gòu)、高數(shù)據(jù)速率、高服務(wù)質(zhì)量的趨勢(shì)和特點(diǎn)。近年來，智能移動(dòng)終端的數(shù)量迅速增加，無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷變大，未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)需要將形式內(nèi)容多樣、數(shù)據(jù)比特量大、服務(wù)質(zhì)量要求高的信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)送到無線終端上。這使得未來無線通信系統(tǒng)所承載的數(shù)據(jù)量急劇增加。

2、>　　 為了滿足高速、海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?，需要進(jìn)一步提升未來無線通信的系統(tǒng)容量。從這個(gè)角度分析，通信系統(tǒng)需要更加高效的利用有限的頻譜資源，例如通過認(rèn)知無線電技術(shù)更為靈活地接入頻譜;增加所能并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)目，例如使用多天線及相關(guān)增強(qiáng)技術(shù);優(yōu)化功率資源的配置和使用，例如采用最優(yōu)功率分配技術(shù)。隨著以上三方面技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)于未來無線通信的需求得到很大程度的滿足;但同時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的不斷變大、泛在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)密集且相互滲透、移動(dòng)終

3、端數(shù)量的持續(xù)增加導(dǎo)致了無線通信網(wǎng)絡(luò)中的干擾環(huán)境更加復(fù)雜，以及無線通信資源的過度使用和消耗。因此，干擾受限和資源受限是制約未來無線通信發(fā)展的兩大因素。這勢(shì)必要求無線通信網(wǎng)絡(luò)采用干擾管理技術(shù)來抑制和消除不同數(shù)據(jù)流之間、用戶終端之間、通信網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，例如在發(fā)送端應(yīng)用預(yù)編碼等干擾管理技術(shù);在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)資源進(jìn)行有效乃至最優(yōu)配置，如對(duì)功率進(jìn)行分配，進(jìn)一步地提升無線通信系統(tǒng)的性能。在未來的無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多元要求，資源管理

4、和分配的目標(biāo)可以適配從物理層數(shù)據(jù)傳輸能力到應(yīng)用層服務(wù)質(zhì)量要求等多層面的需求。
　　 基于此，本文研究了基于預(yù)編碼的多用戶多天線無線通信網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)功率分配問題。資源優(yōu)化配置的目標(biāo)包括最大化物理層的傳輸容量和、及應(yīng)用層的峰值信噪比(PSNR)和。針對(duì)數(shù)學(xué)建模得到的多變量非線性非凸優(yōu)化問題，通過綜合運(yùn)用分支定界(BranchandBound，B&B)框架、凸化放松技術(shù)、幾何規(guī)劃、凸函數(shù)組合特性、單調(diào)分析等數(shù)學(xué)理論與方

5、法，設(shè)計(jì)了目標(biāo)問題的最優(yōu)功率分配算法。本論文旨在通過相關(guān)理論研究為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)性能的分析和比較提供參考和依據(jù)，為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和資源管理提供理論和算法上的指導(dǎo)。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　 1.研究了基于預(yù)編碼的多用戶MISO下行鏈路中最優(yōu)功率分配問題。針對(duì)多用戶MISO下行鏈路，在基站端使用SLNR預(yù)編碼對(duì)系統(tǒng)中的用戶間干擾進(jìn)行抑制。在等功率分配得到的預(yù)編碼向量基礎(chǔ)上，以最大化多用戶MISO下行鏈路用戶容量和為

6、優(yōu)化目標(biāo)，相關(guān)問題建模為一個(gè)帶約束的多變量非線性非凸優(yōu)化問題。由于該問題無法通過常規(guī)的凸優(yōu)化理論獲得全局最優(yōu)解，故基于非凸優(yōu)化理論，本論文設(shè)計(jì)了一種適用于任何信道條件下的最優(yōu)功率分配算法。進(jìn)一步，通過分析可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)工作在高SINR區(qū)域時(shí)，問題可以通過近似，利用幾何規(guī)劃轉(zhuǎn)化成一個(gè)凸優(yōu)化問題。故在所設(shè)計(jì)的容量和最優(yōu)功率分配算法的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)判決的功率分配算法，該算法可以在最優(yōu)性和復(fù)雜度之間取得折中。具體來說，當(dāng)信道狀

7、態(tài)滿足高SINR條件時(shí)，通過幾何規(guī)劃完成對(duì)于功率分配問題的求解;而在高SINR信道狀態(tài)不能得到滿足時(shí)，使用所提出的容量和最優(yōu)功率分配算法對(duì)功率分配問題進(jìn)行求解。通過數(shù)值仿真，可以發(fā)現(xiàn)在所研究的系統(tǒng)模型中，本部分提出的功率分配算法與三種已有的功率分配方案相比可以提供系統(tǒng)容量和方面的增益;并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了解釋，從理論的角度分析了發(fā)送天線數(shù)目和接收端加性噪聲功率值對(duì)增益的影響。本創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第二章的內(nèi)容和學(xué)術(shù)論文成果列表中的1。
　

8、　 2.研究了基于混合機(jī)會(huì)頻譜接入和預(yù)編碼的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的最優(yōu)功率分配問題。
　　 針對(duì)基于混合機(jī)會(huì)頻譜接入的認(rèn)知無線電系統(tǒng)，在次要用戶基站端采用SLNR預(yù)編碼來降低不同次要用戶之間的干擾和次要用戶系統(tǒng)對(duì)主要用戶的干擾，在所設(shè)計(jì)的預(yù)編碼的基礎(chǔ)上，以最大化次要用戶系統(tǒng)用戶容量和為目標(biāo)，研究了不同子信道、不同用戶之間的最優(yōu)功率分配問題。在功率分配算法的設(shè)計(jì)過程中，要保證在主要用戶存在的子信道上，次要用戶系統(tǒng)對(duì)主要用戶的干擾要低

9、于主要用戶預(yù)先設(shè)定的干擾門限。功率分配問題建模為一個(gè)關(guān)于各個(gè)子信道上用戶功率變量、在功率約束和干擾門限約束下的連續(xù)變量非線性非凸優(yōu)化問題，本文基于分支定界框架和凸化放松技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能以任意指定精度逼近全局最優(yōu)的功率分配算法。原問題借助凸化放松技術(shù)進(jìn)行放松，轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸優(yōu)化可解的問題，繼而在分支定界框架下對(duì)變量空間不斷進(jìn)行劃分，通過不斷形成新的子問題，從而使通過放松后的問題求得的系統(tǒng)可達(dá)容量逐漸逼近原問題的最優(yōu)容量，并最終得到了能夠最大

10、化次要用戶容量和的全局最優(yōu)功率分配方案。本文通過數(shù)值仿真將所設(shè)計(jì)的最優(yōu)功率分配與已有的三種基于SLNR預(yù)編碼的功率分配方案進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的最優(yōu)功率分配算法在次要用戶系統(tǒng)容量和方面所能取得的增益。本創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第三章的內(nèi)容和學(xué)術(shù)論文成果列表中的2。
　　 3.研究了基于預(yù)編碼的多用戶MISO下行鏈路多媒體傳輸中的最優(yōu)功率分配問題。
　　 在本部分研究中，以應(yīng)用層上每個(gè)用戶接收到的視頻圖像的峰值信噪比(PSNR)作

11、為視頻質(zhì)量的衡量指標(biāo)，并將其作為該用戶的效用函數(shù)。針對(duì)多用戶MISO下行鏈路，在發(fā)送端采用SLNR預(yù)編碼來抑制用戶之間的干擾，在得到的預(yù)編碼向量的基礎(chǔ)上，本文以最大化系統(tǒng)所有用戶PSNR和(等效于系統(tǒng)平均PSNR)為優(yōu)化目標(biāo)在不同用戶之間進(jìn)行功率分配。通過數(shù)學(xué)建模，目標(biāo)問題建模為一個(gè)復(fù)雜的多變量非線性非凸優(yōu)化問題，該問題無法通過常規(guī)凸優(yōu)化理論進(jìn)行求解。本文針對(duì)該問題設(shè)計(jì)了一種適用于物理層高SINR條件下的應(yīng)用層PSNR和最優(yōu)功率分配算法