大規(guī)模天線與新型多址接入技術(shù)資源優(yōu)化方法研究.pdf

1、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，對未來移動通信系統(tǒng)的頻譜效率、能量效率和設(shè)備連接數(shù)量等指標(biāo)提出了更高的要求。大規(guī)模天線技術(shù)通過增加天線數(shù)目，大幅提高了系統(tǒng)譜效，成為未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，大規(guī)模天線技術(shù)中天線數(shù)目的增加，不僅造成系統(tǒng)能耗增加，使系統(tǒng)能效提升受限，還引起導(dǎo)頻干擾嚴(yán)重，使多小區(qū)資源優(yōu)化更加復(fù)雜。新型多址接入技術(shù)通過資源復(fù)用和非線性檢測，大幅提高了系統(tǒng)譜效和設(shè)備連接數(shù)量，成為未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，新

2、型多址接入技術(shù)中資源復(fù)用可能引入更多資源域，使資源優(yōu)化面臨更多優(yōu)化對象和復(fù)雜干擾。針對這些問題，本論文就大規(guī)模天線與新型多址接入技術(shù)的資源優(yōu)化方法展開研究。
　　首先，本論文研究了大規(guī)模天線技術(shù)中的資源優(yōu)化方法。針對多小區(qū)場景上行鏈路的高能效功率控制問題，利用約束馬爾可夫決策過程表征能效模型，將高能效功率控制優(yōu)化問題構(gòu)造為基于約束馬爾可夫決策過程的優(yōu)化問題，并提出一種實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)功率控制策略的優(yōu)化算法。在所提優(yōu)化算法中，首先通過拉

3、格朗日乘子法將約束優(yōu)化問題變換為無約束優(yōu)化問題，然后利用改進(jìn)值迭代算法得到全局最優(yōu)功率控制策略。在改進(jìn)值迭代算法中，傳統(tǒng)值迭代算法負(fù)責(zé)內(nèi)層循環(huán)迭代，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法負(fù)責(zé)外層循環(huán)迭代。對于所提優(yōu)化算法，一方面，可以利用得到的最優(yōu)決策規(guī)則建立離線查詢表，從而避免頻繁計(jì)算;另一方面，可以通過調(diào)整算法中的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與計(jì)算復(fù)雜度之間的均衡，提供更好的靈活性。仿真結(jié)果表明，所提優(yōu)化算法可以實(shí)現(xiàn)理論最優(yōu)性能。
　　其次，本論文研究了新型

4、多址接入技術(shù)的發(fā)射機(jī)接收機(jī)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，提出了一種聯(lián)合大規(guī)模天線技術(shù)的圖樣分割多址接入技術(shù)(Pattern Division Multiple Access with Large-scale Antenna Array，PDMA-LSA)，并給出了PDMA-LSA的發(fā)射機(jī)接收機(jī)聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。大規(guī)模天線技術(shù)與圖樣分割多址接入技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)在于空域中的波束資源。PDMA-LSA中圖樣的實(shí)現(xiàn)是基于功率域和波束域的聯(lián)合復(fù)用。發(fā)射機(jī)利用包含功率控制

5、和波束分配的圖樣映射，實(shí)現(xiàn)多用戶信號疊加。接收機(jī)利用包含空域?yàn)V波和順序干擾消除的混合檢測，實(shí)現(xiàn)多域疊加信號的檢測。PDMA-LSA可極大提升設(shè)備連接數(shù)量，有效降低非線性接收檢測的計(jì)算復(fù)雜度。此外，PDMA-LSA實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模天線技術(shù)與多址接入技術(shù)的結(jié)合，有利于充分發(fā)揮兩種技術(shù)的潛力，從而區(qū)別于其他新型多址接入技術(shù)。仿真結(jié)果表明，PDMA-LSA相比正交多址接入技術(shù)和功率域非正交多址接入技術(shù)，即使在未進(jìn)行資源優(yōu)化的情況下，也具有一定的性能

6、提升。
　　最后，本論文研究了新型多址接入技術(shù)中的資源優(yōu)化方法，針對提出的PDMA-LSA進(jìn)行功率控制和波束分配研究。對于功率控制問題，通過推導(dǎo)證明了高能效優(yōu)化問題的凸性質(zhì)，從而得到全局最優(yōu)發(fā)射功率控制方案。對于波束分配問題，首先分析波束分配的物理意義，然后證明了發(fā)射機(jī)中波束賦形與接收機(jī)中空域?yàn)V波之間的聯(lián)合特性，并利用此特性對低干擾優(yōu)化問題實(shí)現(xiàn)降維，從而大大降低其求解復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化功率控制對PDMA-LSA的性能具有一