新一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)能源-頻譜效率優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)極大地便捷了人們的生活，也深刻改變了人們的生活方式以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)運(yùn)行的方方面面。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)的逐步普及以及人們對(duì)高速無(wú)線數(shù)據(jù)服務(wù)需求的巨大增長(zhǎng)，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸速率以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的要求也越來(lái)越高。為了實(shí)現(xiàn)更快的傳輸速率以及更低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，給無(wú)線通信技術(shù)對(duì)能源以及頻譜的利用帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，信息通信產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的碳排放量已經(jīng)占整個(gè)工業(yè)碳排放量的百分之二左右。巨大的能源消耗不僅對(duì)環(huán)

2、境造成破壞，也會(huì)造成運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本的增加，反過(guò)來(lái)這些成本也會(huì)部分轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上。因此如何提高能源利用效率、降低無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴成為近年來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。除能源外，頻譜資源在新一代無(wú)線通信技術(shù)中的稀缺性也變得更加嚴(yán)峻。最大化提高頻譜資源利用率，充分挖掘有限頻譜資源的利用潛力，也一直是無(wú)線通信技術(shù)研究者孜孜不倦的追求。
　　本文研究了新一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中能源-頻譜效率的優(yōu)化機(jī)制。為了提高無(wú)線通信技術(shù)

3、能源-頻譜效率，降低無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)能源依賴，本文對(duì)智能電網(wǎng)供能場(chǎng)景下基站非連續(xù)傳輸機(jī)制、放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)多中繼多用戶場(chǎng)景下中繼信息線性處理機(jī)制、中繼通信網(wǎng)絡(luò)多中繼多用戶場(chǎng)景下資源分配以及多系統(tǒng)間可再生能源協(xié)作頻譜共享機(jī)制等進(jìn)行了研究。
　　本文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　1)研究了智能電網(wǎng)供能場(chǎng)景下OFDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站非連續(xù)傳輸能效優(yōu)化機(jī)制。在分布式智能電網(wǎng)中，由于可再生能源的不連續(xù)性以及存儲(chǔ)的有限性，可再生能源售賣站可提供

4、的電能的量是有限的，并且由于制造設(shè)備成本的原因，可再生能源的價(jià)格比傳統(tǒng)能源略高，因此無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)有必要確定從哪些售賣站中購(gòu)買多少電能從而在最大化運(yùn)營(yíng)商收益的同時(shí)兼顧到溫室氣體排放。為了降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗，并降低對(duì)環(huán)境的影響，本章建立了基站非連續(xù)傳輸、資源分配和智能電網(wǎng)能源購(gòu)買的聯(lián)合優(yōu)化模型。為了求解該優(yōu)化問(wèn)題，提出了一種基于拉格朗日對(duì)偶法的次優(yōu)化分布式算法。該算法可以在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端和智能電網(wǎng)端輪流進(jìn)行運(yùn)算，有效降低了問(wèn)題求解復(fù)雜度。仿真結(jié)果

5、表明所提的非連續(xù)傳輸、資源分配以及智能電網(wǎng)購(gòu)買優(yōu)化機(jī)制可以有效降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能源消耗以及對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。
　　2)研究了OFDMA放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼網(wǎng)絡(luò)多中繼多用戶場(chǎng)景下頻譜效率優(yōu)化問(wèn)題。首先提出了一種在基站傳輸功率以及中繼功率放大因子固定條件下最優(yōu)的多中繼多用戶場(chǎng)景下的AF中繼信息線性處理機(jī)制以最大化系統(tǒng)吞吐量。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)提出的線性處理機(jī)制可以得到最優(yōu)的子載波配對(duì)、中繼選擇以及用戶選擇方式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提線性處

6、理機(jī)制可以有效提高頻譜效率，并在結(jié)合拉格朗日對(duì)偶法后可以有效提高系統(tǒng)吞吐量。
　　3)研究了多輸入多輸出(MIMO) OFDMA中繼網(wǎng)絡(luò)多中繼多用戶場(chǎng)景下的能量-頻譜效率聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。建立了對(duì)中繼選擇、子載波配對(duì)、傳輸模式選擇、信道用戶分配以及功率分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。由于所建模型為混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，并且在0-1變量中存在四階張量，因此所建優(yōu)化問(wèn)題在求解時(shí)存在較大的難度。在拉格朗日對(duì)偶算法基礎(chǔ)上，通過(guò)提出四階張量分解技術(shù)，將

7、四階張量分解為一個(gè)矩陣和若干向量的乘積，進(jìn)而將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)主線性規(guī)劃問(wèn)題和若干簡(jiǎn)單的線性規(guī)劃子問(wèn)題。最后利用線性規(guī)劃算法對(duì)這些子問(wèn)題逐一求解，降低了問(wèn)題求解復(fù)雜度，并且進(jìn)一步證明了所提算法保留了較強(qiáng)的拉格朗日對(duì)偶性。仿真實(shí)驗(yàn)表明了所提算法能夠有效地提高M(jìn)IMO OFDMA中繼系統(tǒng)吞吐量。
　　4)研究了多系統(tǒng)間可再生能源協(xié)作與頻譜資源共享機(jī)制以提高可再生能源利用效率和頻譜效率。由于地理位置及傳輸負(fù)載的差異，不同無(wú)線系統(tǒng)可利用的

8、可再生能源以及對(duì)可再生能源的需求是不同的。這會(huì)造成可再生能源較大的浪費(fèi)。基于此，提出了一種多系統(tǒng)間可再生能源協(xié)作機(jī)制。為了提高系統(tǒng)頻譜效率，提出了一種基于載波聚合技術(shù)的頻譜共享機(jī)制，并將聯(lián)合能源協(xié)作與頻譜共享機(jī)制與傳輸功率優(yōu)化等相結(jié)合，降低小區(qū)間干擾，最大化能源-頻譜效率。由于所建模型為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，提出了一種基于單純形支配的MOEA/D-M2M多目標(biāo)進(jìn)化算法，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了求解。仿真結(jié)果驗(yàn)證了通過(guò)系統(tǒng)間可再生能源協(xié)作與頻譜共享機(jī)制，