面向多小區(qū)協作接收的動態(tài)分簇算法研究.pdf

1、隨著無線通信需求的持續(xù)高速增長，無線頻譜資源短缺的問題日益突出。降低頻率復用因子是蜂窩移動通信系統(tǒng)顯著提高頻譜效率的有效手段。但在臨近小區(qū)使用相同時頻資源會導致較強的小區(qū)間干擾，嚴重制約系統(tǒng)容量，小區(qū)邊緣用戶服務質量（Quality of Service，QoS）更是會急劇惡化。在超密集網絡（Ultra Dense Network，UDN）中，小區(qū)間干擾是制約網絡吞吐率的關鍵因素之一。多小區(qū)協作處理技術（Multi-Cell Proce

2、ssing，MCP）通過基站間的信息交互，實現聯合發(fā)送/接收和協作處理，有效抑制小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)容量和邊緣用戶服務質量。協作接收是上行鏈路MCP的重要形式，雖然網絡內所有基站全部參與協作，理論上能夠最大化協作增益，但同時也會帶來巨大的協作開銷，包括額外的同步和信道估計、協作信息交互與協作處理、時延等。分簇協作接收，將協作處理范圍縮小至協作簇內，僅對簇內的小區(qū)間干擾進行協作消除，與所有小區(qū)同時參加的完全協作相比，能夠在獲得大部分性能增

3、益的同時，顯著減小協作規(guī)模、降低協作開銷。現有關于分簇算法多關注協作資源充裕時對分簇協作增益的優(yōu)化，缺乏對協作資源有限時協作資源效率的優(yōu)化研究。MCP分簇算法的設計，不僅是協作接收操作和處理的先決條件，也是實現協作資源有效利用的根本。
　　本論文以多小區(qū)網絡上行鏈路協作接收和干擾消除處理為背景，研究優(yōu)化協作資源效率的小區(qū)動態(tài)分簇方法。通過將小區(qū)間協作鏈路的占用作為協作開銷，圍繞協作性能增益與協作開銷的折中，建立以用戶為中心的分簇優(yōu)

4、化模型，以保證用戶 QoS為前提，分別從基站和用戶的角度約束協作資源，優(yōu)化協作簇的設計。本論文的創(chuàng)新性研究成果主要包括：
　?。?）針對協作開銷的優(yōu)化問題，提出了最小化協作簇規(guī)模的動態(tài)分簇算法。以關于給定傳輸速率閾值的中斷概率評估用戶 QoS，在盡可能使網絡內所有用戶滿足 QoS需求的前提下，構建了最小化協作簇的分簇優(yōu)化框架，并通過對偶分解和次梯度法求出近似解。進而引入協作簇規(guī)模上限和每基站協作鏈路總數上限約束，建立了約束協作資源

5、時最小化協作簇的分簇優(yōu)化問題，并基于貪婪算法提出了相應的最小化協作簇動態(tài)分簇算法。仿真結果表明，協作資源無約束時，所提分簇算法的中斷概率性能遠優(yōu)于現有典型分簇算法；對協作資源進行約束后，所提分簇算法能夠在保證用戶QoS的同時，顯著降低協作開銷。
　?。?）針對協作傳輸性能與協作開銷的組合優(yōu)化問題，以最小化中斷用戶數和最小化協作簇作為優(yōu)化目標，把以用戶為中心的動態(tài)分簇問題建模為多目標規(guī)劃問題，提出了最小化中斷用戶數的動態(tài)分簇算法。為

6、了降低網絡內的總協作開銷，放棄對必然發(fā)生中斷的用戶分配協作簇，提出了協作資源無約束時最小化中斷用戶數的動態(tài)算法，并從理論上證明了解的最優(yōu)性。在約束協作簇規(guī)模的情況下建模分簇優(yōu)化問題，提出了約束協作簇規(guī)模時最小化中斷用戶數的動態(tài)分簇算法。約束基站所能提供的協作資源總量，構建了基站總協作鏈路數約束下最小化中斷用戶數的動態(tài)分簇模型，并基于貪婪算法原理提出了啟發(fā)式求解算法。與現有典型分簇算法相比，協作資源無約束時，由于放棄對必然發(fā)生中斷的用戶進

7、行協作接收，所提最小化中斷用戶數的分簇算法能夠在獲得最優(yōu)中斷概率性能的同時，顯著降低平均協作簇規(guī)模和計算復雜度。約束協作簇規(guī)模和基站協作鏈路數時，所提最小化中斷用戶數的分簇算法以較小的傳輸速率損失換取協作簇規(guī)模的顯著降低，實現了單位協作資源消耗下最高的平均速率增益。
　?。?）針對協作資源效率與基站協作負擔的折中問題，定義了歸一化協作增益（每條協作鏈路消耗一個回傳時頻資源塊所獲得的傳輸速率增益），用于評估協作資源的有效性，對歸一化

8、協作增益最大化的分簇優(yōu)化框架進行建模；構建基站協作負擔約束，提出了歸一化協作增益最大化的動態(tài)分簇算法。為有效控制回傳時延，提出了協作基站距離約束下歸一化協作增益最大化的動態(tài)分簇算法。在協作基站端引入對回傳總功率和回傳總速率的約束，建立了基站協作負擔約束下歸一化協作增益的優(yōu)化模型，提出了相應的約束條件下歸一化協作增益最大化動態(tài)分簇算法。與現有文獻中的典型分簇算法和所提最小化中斷用戶數的分簇算法相比，約束協作基站距離和協作簇規(guī)模時的歸一化協