寬帶無線通信系統(tǒng)中基于跨層設(shè)計和能效優(yōu)化的資源分配方案研究.pdf

1、隨著人們對環(huán)境問題的日益重視，綠色通信正引起人們的廣泛關(guān)注，而最大化系統(tǒng)能效是綠色通信的重要目標之一。此外，正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)可以改善系統(tǒng)的頻譜效率，并且能夠有效對抗由于多徑效應(yīng)等引起的碼間干擾，同時，OFDMA技術(shù)可以根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息動態(tài)地為多個用戶分配子信道來實現(xiàn)多用戶分集增益。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)不僅能提高數(shù)據(jù)傳輸速率，還能改善鏈路的可靠性。因此OFDMA和MIMO技術(shù)成為寬帶無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。因

2、此，研究MIMO/OFDMA系統(tǒng)及其能效資源分配問題有著重要意義。本論文著重對FDD-OFDMA系統(tǒng)中跨層設(shè)計和多用戶OFDMA系統(tǒng)、多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)、多用戶大規(guī)模MIMO-OFDMA系統(tǒng)、多小區(qū)協(xié)作大規(guī)模MIMO系統(tǒng)以及大規(guī)模MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于能效優(yōu)化的的動態(tài)資源分配問題進行了深入研究，設(shè)計相應(yīng)的最優(yōu)或者次優(yōu)資源分配算法，具體的研究內(nèi)容和主要貢獻如下:
　　1.針對FDD-OFDMA移動通信下行系統(tǒng)受限干擾的問題，提

3、出了一種資源調(diào)度跨層設(shè)計算法。該算法在滿足目標誤包率的前提下，以最大化系統(tǒng)goodput（發(fā)射端成功發(fā)射的比特率）為準則建立優(yōu)化模型，能在發(fā)射端完全不知道信道狀態(tài)信息，同時考慮小區(qū)用戶存在相鄰小區(qū)基站干擾的情況下，利用ACK/NAK信息把最優(yōu)化目標函數(shù)的過程轉(zhuǎn)換成馬爾可夫決策過程(MDP)，進而給出閉合解，實現(xiàn)用戶調(diào)度，以及速率分配。與傳統(tǒng)的算法相比，所提算法在較低復(fù)雜度前提下獲得很接近發(fā)射端完全已知信道狀態(tài)信息的系統(tǒng)goodput。<

4、br>　　2.針對多用戶OFDMA移動通信下行系統(tǒng)，以最大化系統(tǒng)能效為準則，同時考慮每個用戶的QoS要求，提出了一種用戶調(diào)度和資源分配方法，假設(shè)發(fā)射端完全已知信道信息，系統(tǒng)的功率消耗主要由電路功率消耗和發(fā)射功率消耗兩部分組成的情況下，給出了用戶調(diào)度和速率分配策略，該算法首先根據(jù)用戶的最低速率要求和能效最大化的目標函數(shù)進行用戶調(diào)度;然后采用二進制搜索輔助提升法(Binary Search Assisted Ascent, BSAA)進行速

5、率分配，對于不滿足速率要求的用戶，則采用拉格朗日算法進行速率分配。該方法充分利用了系統(tǒng)內(nèi)在的分集，有效地提高了系統(tǒng)的能量使用效率，同時又保證了用戶的QoS要求。
　　3.針對上行多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問題進行了研究。當接收端采用迫零(ZF)接收時，以最大化系統(tǒng)能效下界為準則，提出了兩種資源分配算法。與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)只進行功率、速率分配最大化目標函數(shù)不同，所提算法通過聯(lián)合調(diào)整基站端的天線數(shù)和發(fā)射數(shù)據(jù)速率

6、最大化系統(tǒng)能效下界。算法一:首先根據(jù)目標函數(shù)的性質(zhì)，證明全局最優(yōu)速率分配和基站天線數(shù)的存在性和唯一性，進而給出一種資源分配的迭代方法。但是由于該方法的收斂速度和性能受初始值和步長的影響比較大。因此，我們提出了第二種算法，該算法根據(jù)分數(shù)規(guī)劃的性質(zhì)，把分數(shù)形式的能效函數(shù)轉(zhuǎn)換成減數(shù)形式，進而采用凸優(yōu)化的方法提出一種更有效的迭代算法，并證明了此算法的收斂性。所提兩種算法能夠在較少迭代次數(shù)的情況下獲得接近最優(yōu)資源分配的性能。當接收端采用最大比合并

7、(MRC)接收時，首先推導(dǎo)了系統(tǒng)容量下界，同時在考慮滿足用戶數(shù)據(jù)速率和可容忍的干擾水平約束的條件下，以最大化系統(tǒng)能效下界為準則建立優(yōu)化模型。根據(jù)分數(shù)規(guī)劃的性質(zhì)，把原始的分數(shù)最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成減式的形式，通過聯(lián)合調(diào)整基站端的發(fā)射天線數(shù)和用戶的發(fā)射功率來優(yōu)化能效函數(shù)。所提算法能夠在較少迭代次數(shù)的情況下獲得較接近最優(yōu)算法的性能。
　　4.針對多用戶大規(guī)模MIMO OFDMA下行系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問題進行了研究。首先假設(shè)發(fā)射端完全

8、已知信道狀態(tài)信息(CSI)，并采用迫零(ZF)預(yù)編碼推導(dǎo)了系統(tǒng)容量下界表達式，同時考慮在滿足每個用戶的最低速率要求下，以最大化系統(tǒng)的能效下界為目標函數(shù)，建立相應(yīng)的優(yōu)化模型。由于全局最優(yōu)解難以獲得，進而提出一種低復(fù)雜度的次優(yōu)算法，該算法將整個優(yōu)化過程分兩步來完成:首先根據(jù)用戶的最低速率要求和能效最大化的目標函數(shù)提出了一種帶寬分配算法;然后在所提帶寬分配算法的基礎(chǔ)上通過聯(lián)合調(diào)整基站端的發(fā)射天線數(shù)和用戶的發(fā)射功率來優(yōu)化系統(tǒng)能效。所提算法在獲得

9、較好能效性能的同時，也能獲得較好的系統(tǒng)吞吐量性能。
　　5.針對多小區(qū)協(xié)作大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于能效最優(yōu)的資源分配問題進行了研究。假設(shè)該多小區(qū)協(xié)作無線通信系統(tǒng)中基站完全協(xié)作，并采用迫零(ZF)預(yù)編碼情況下，以最大化系統(tǒng)能效為準則，提出了一種資源分配方法。根據(jù)分數(shù)規(guī)劃的性質(zhì)，提出一種功率分配的迭代算法。所提算法具有較低的復(fù)雜度同時獲得較好的能效和頻譜效率性能。
　　6.針對大規(guī)模MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于能效最優(yōu)的資源分配問題進