單小區(qū)多用戶通信系統(tǒng)中基于能量效率的無線資源管理研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的承載能力與覆蓋規(guī)模不斷提升，人們對(duì)無線業(yè)務(wù)的使用頻率與依賴程度也越來越高。然而，在追求更高的數(shù)據(jù)速率、更寬的通信頻帶、更密集的無線覆蓋的同時(shí)，無線通信與自然環(huán)境、人類社會(huì)間的不和諧因素也日趨明顯，這主要體現(xiàn)在巨大的能源消耗造成的資源浪費(fèi)以及伴隨而來的環(huán)境污染。同時(shí)，無線通信的用戶多是能量受限的終端設(shè)備，無線通信使用率的快速增長(zhǎng)與發(fā)展相對(duì)緩慢的電池、電源技術(shù)導(dǎo)致終端側(cè)的用戶體驗(yàn)出現(xiàn)“電池瓶頸”。因

2、此，本著節(jié)約電能方面的經(jīng)濟(jì)支出、減少對(duì)環(huán)境的有害影響、延長(zhǎng)用戶的有效通信時(shí)間，通過優(yōu)化能量效率的鏈路級(jí)傳輸技術(shù)提高能量效率是一個(gè)亟待解決的問題。
　　無線資源管理的各個(gè)方面，包括功率分配、頻譜分配、用戶調(diào)度和接入控制，在已有的研究中多是優(yōu)化頻譜效率的，而頻譜效率與能量效率是一種折中的關(guān)系。如何權(quán)衡能量效率與QoS（Quality of Service）需求是無線資源管理面臨的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有優(yōu)化能量效率的無線資源管理存在的缺陷包括:沒有

3、考慮上行系統(tǒng)能量效率優(yōu)化特性，算法設(shè)計(jì)還有提升系統(tǒng)能量效率的空間;沒有基于能量效率的接入控制算法應(yīng)對(duì)單小區(qū)網(wǎng)絡(luò)用戶峰值業(yè)務(wù)量超過網(wǎng)絡(luò)承載能力的場(chǎng)景;沒有考慮不同業(yè)務(wù)類型的特性差異對(duì)能量效率的需求與影響。作為上述問題的探討，本文面向單小區(qū)OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）場(chǎng)景，以優(yōu)化能量效率的無線資源管理為主題，以能量效率與QoS需求的權(quán)衡為主線展開研究。本文的主要工作如下:<

4、br>　　1)面向單小區(qū)多用戶場(chǎng)景，建立上行鏈路功率與子信道分配問題的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化的目標(biāo)是最大化系統(tǒng)中所有用戶能量效率的算術(shù)和，同時(shí)保證所有用戶的最小數(shù)據(jù)速率要求。此模型的優(yōu)化函數(shù)考慮上行鏈路用戶間的獨(dú)立性，因?yàn)闊o論是用戶的發(fā)送功率，還是用戶可獲得的吞吐量或能量效率都是獨(dú)立的。所建立的最優(yōu)化模型是一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，使用窮舉法計(jì)算復(fù)雜度高。因此，我們提出低復(fù)雜度的功率與子信道分配算法。該算法是保證用戶最小數(shù)據(jù)速率需求與最

5、大化系統(tǒng)能量效率的折中的有效手段。仿真結(jié)果表明，相比現(xiàn)有上行鏈路能效優(yōu)化的資源分配方案，所提的算法在保證用戶的數(shù)據(jù)速率需求的同時(shí)具有較好的系統(tǒng)能量效率。
　　2)面向用戶峰值業(yè)務(wù)量超過網(wǎng)絡(luò)可承載業(yè)務(wù)量的網(wǎng)絡(luò)模型，將能量效率拓展到接入控制模塊，進(jìn)一步增強(qiáng)能量效率。提出基于能量效率的接入控制的新準(zhǔn)則，通過該準(zhǔn)則，為系統(tǒng)建立能量效率與用戶公平性的折中。同時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜度在可接受范圍內(nèi)的聯(lián)合接入控制和資源分配算法，在盡可能多的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中

6、用戶的情況下優(yōu)化能量效率。在仿真結(jié)果中分析最小數(shù)據(jù)速率需求、電路功率、用戶優(yōu)先級(jí)等參數(shù)對(duì)能量效率的影響。
　　3)面向多業(yè)務(wù)類型的場(chǎng)景，將應(yīng)用層的業(yè)務(wù)特征差異引入優(yōu)化能量效率的研究范疇。建立下行鏈路基于能效效用函數(shù)最優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，提出基于能量效率的效用函數(shù)的新概念:單位能量消耗所獲得的用戶滿意度，并對(duì)模型最優(yōu)解的必要條件進(jìn)行理論證明。基于數(shù)學(xué)理論將原分?jǐn)?shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為等效的凸優(yōu)化問題的思想，設(shè)計(jì)基于能效效用函數(shù)的功率和子信道分配