LTE-Advanced系統(tǒng)中無線資源分配技術研究.pdf

1、隨著無線通信技術的飛速發(fā)展以及移動用戶對高速率數據業(yè)務需求的不斷提升，移動通信系統(tǒng)經歷了由模擬系統(tǒng)到第4代移動通信系統(tǒng)的多次變革與演進。LTE-Advanced系統(tǒng)作為準4G系統(tǒng)—LTE的進一步演進，通過引入協作多點(CoMP)傳輸、終端直通(D2D)通信等多種關鍵技術，達到提高系統(tǒng)頻譜效率、增強網絡覆蓋能力、降低小區(qū)基站負載的目標。另一方面，LTE-Advanced系統(tǒng)中伴隨著多媒體業(yè)務的急劇增長和網絡規(guī)模的不斷擴容，所產生的能源緊缺

2、和環(huán)境污染問題也愈加嚴重，在未來無線通信系統(tǒng)中，頻譜效率的提升不再是衡量網絡性能的唯一標準，非可再生能源供給下的能量效率以及綠色能源供給下的網絡可持續(xù)性，已成為新一代移動通信網絡的設計準則。
　　然而由于移動通信系統(tǒng)中無線資源的稀缺性與無線信道的不穩(wěn)定性，如何對有限的資源進行合理配置以滿足用戶的業(yè)務需求和網絡的各類性能指標，是LTE-Advanced系統(tǒng)需要研究的核心問題。本論文對LTE-Advanced系統(tǒng)中的無線資源分配技術進

3、行了深入的研究，針對CoMP網絡和D2D輔助通信的蜂窩網絡，采用智能群體優(yōu)化、凸優(yōu)化、分數規(guī)劃以及排隊論等技術手段，提出了關于能量資源、時頻資源和空域資源的優(yōu)化分配策略。本文將性能指標的演進作為貫穿全文的線索，按照由頻譜效率到能量效率再到能量供給可持續(xù)性的順序逐層展開，形成了以下幾個方面的研究內容和創(chuàng)新:
　　1.針對CoMP JT網絡場景，分別從啟發(fā)式和最優(yōu)化兩個角度出發(fā)研究了基于容量最優(yōu)的頻譜資源分配策略。對于啟發(fā)式的頻譜資源

4、分配策略，首先提出了一種半動態(tài)協作集合選擇方法，解決了協作節(jié)點選取問題中性能與復雜度開銷之間的矛盾，然后在此基礎上設計了適用于協作集重疊的頻譜資源分配算法，該算法為中心用戶和邊緣用戶提供平等的機會去使用頻譜資源，在保證用戶公平性的同時提升了小區(qū)用戶的平均吞吐量。接下來從最優(yōu)化的角度出發(fā)，提出了基于改進粒子群優(yōu)化的頻譜資源分配策略，該策略重點分析了邊緣用戶性能與系統(tǒng)整體性能之間的關系，通過引入邊緣用戶權重因子控制目標函數中邊緣用戶吞吐量所

5、占比例，構建了CoMP JT下頻譜分配的有約束非線性0-1規(guī)劃模型，并根據問題模型對二進制變量優(yōu)化、約束處理和加速收斂等方面進行改進，進一步形成了適用于CoMP JT頻譜資源分配的二進制約束型粒子群優(yōu)化算法，該算法通過調整權重因子的取值有效地均衡了邊緣用戶和系統(tǒng)整體的性能，在權重因子設置合理的情況下相比于現有方法對邊緣用戶吞吐量和系統(tǒng)整體吞吐量均有較大的提升。
　　2.針對蜂窩與D2D混合網絡，提出了一種基于容量最優(yōu)的頻譜與功率分

6、配策略。該策略通過對D2D用戶復用蜂窩上行鏈路資源時的干擾場景進行分析，以最大化系統(tǒng)總容量為目標對蜂窩用戶與D2D用戶的資源分配進行全局統(tǒng)一建模，該模型不再限制使用相同頻譜資源的D2D用戶數以及D2D用戶可復用的資源數，從而提升了D2D資源復用的自由度。為了降低求解復雜度將容量優(yōu)化問題分解為兩個子問題，并進一步設計了兩階段資源分配策略。首先基于增量貪婪的思想，提出了改進的貪婪頻譜分配算法，算法中通過引入用戶交換和剔除操作避免分配結果陷入

7、局部最優(yōu);在頻譜分配結果確定后，采用拉格朗日對偶理論將功率優(yōu)化問題轉化到相應的對偶域求解，并提出了基于兩層迭代的最優(yōu)功率分配算法。以上資源分配策略根據信道狀態(tài)信息動態(tài)調整蜂窩用戶與D2D設備所使用的RB以及在各RB上的傳輸功率，在保證蜂窩用戶性能的基礎上提升了D2D用戶的傳輸速率和網絡的總容量。
　　3.針對CoMP CS/CB下行多天線場景，分別提出了基于能量效率最大化和基于能量效率-頻譜效率折中的協調用戶調度、波束賦形和功率分

8、配策略。為了有效地度量網絡的能量效率，首先綜合考慮數據傳輸、信號處理、回程鏈路損耗等各方面的能量消耗，對多小區(qū)協作系統(tǒng)的總功耗進行數學抽象，進而結合系統(tǒng)總容量分析獲得能效優(yōu)化目標?；谠撃繕酸槍Φ谝活惸苄ё畲蠡瘑栴}構建了關于波束賦形向量與用戶調度策略的分數規(guī)劃模型，然后基于丁克爾巴赫定理將原問題轉化為含參量的非分數形式等價問題并采用牛頓迭代算法對最優(yōu)能效進行求解。對于牛頓迭代算法中內嵌的子優(yōu)化問題，分別設計了基于一階最優(yōu)條件的迭代波束賦

9、形向量優(yōu)化算法和改進的貪婪用戶調度算法。所提算法能夠快速收斂到能效最優(yōu)解，并且對系統(tǒng)能量效率有較大的提升。對于第二類基于能量效率-頻譜效率折中的無線資源優(yōu)化問題，通過引入最低速率約束使得每個用戶的傳輸質量得到有效保證。在問題的求解過程中，首先綜合牛頓迭代算法和二分法的優(yōu)勢，采用基于改進二分搜索的資源分配算法進行能效尋優(yōu)，隨后進一步提出了基于一階凸近似的子問題求解方法和基于比特加載的速率約束優(yōu)化算法。仿真結果表明，所提算法通過調整最低速率

10、限制實現了用戶速率與能量效率的有效均衡。
　　4.針對可再生能源供給的CoMP網絡和蜂窩與D2D混合網絡，分別設計了基于能量可持續(xù)性的無線資源分配策略。由于可再生能源的供給能力具有高動態(tài)時變特性，因此基站中儲能的變化過程是一個隨機過程，首先借助排隊理論，對能量變化過程的統(tǒng)計特性進行分析，將該過程建模為G/G/1排隊模型，并進一步推導出了關于能量可持續(xù)時長的條件概率密度函數和均值表達式。接下來對可再生能源供給CoMP網絡中的無線資源

11、分配問題進行抽象建模，在建模過程中為了保證網絡整體的不間斷通信和各基站之間的公平性，將最大化最小能量可持續(xù)時長作為資源分配的優(yōu)化目標，并綜合考慮了用戶的QoS需求。對于問題的求解，結合能量可持續(xù)時長的統(tǒng)計特性分析獲得了關于基站傳輸功率的兩個等價約束，并提出了一種低復雜度的半分布式迭代資源分配算法，該算法在保證用戶傳輸性能的基礎上提升了CoMP網絡整體的可持續(xù)性。最后研究了可再生能源供電下D2D通信網絡的功率分配問題，通過變量代換克服了原