基于频能效率的大规模天线系统无线资源分配技术研究

发布时间：2020-06-18 10:18

【摘要】：随着社会信息化进程的快速发展,人类社会逐步进入信息化时代。伴随着海量终端的接入和更多样化无线业务的出现,人们对无线通信的需求日益增加,现有的无线通信系统已经难以满足人们对无线通信更加极致的要求,迫切需要提升无线通信系统性能。然而,无线通信系统性能的提升面临着严峻的挑战,包括但不限于频谱资源有限、干扰日益严重、能量受限等多个方面。大规模天线技术作为多输入多输出(MIMO)技术的最新研究成果,能够获取巨大的通信自由度,实现极大的空间复用增益,消除系统干扰,从而大幅度提升频谱效率和能量效率,被认为是新一代无线通信系统的关键技术之一。因此,大规模天线技术将成为未来无线通信系统的重要组成部分,出现在多种多样的无线通信场景中。然而,要实现大规模天线技术的巨大潜力,仍有许多关键问题亟需解决。如何围绕大规模天线系统中的时域、频域、空域、功率域等无线资源,设计高效合理的资源管理分配方案,实现系统性能的全面提升,是大规模天线技术应用中非常重要的科学问题,也是本文研究的关键所在。本论文以大规模天线技术为核心,以提升系统频谱效率和能量效率为目标,以时、频、功率等资源的高效分配为技术手段,着重研究多个大规模天线技术应用场景中的资源优化管理方案,并与用户关联、分布式天线、能量收割等多种通信技术相结合。所研究的场景包括多小区多用户大规模天线系统、分布式大规模天线系统和基于大规模天线的无线信息与能量同传系统。具体研究内容与创新点简述如下:1)研究了多小区多用户大规模天线系统导频资源分配策略。针对多小区多用户大规模天线系统,提出了通过合理分配系统中的导频资源,降低导频污染对系统可达速率的影响。通过将导频分配问题建模并放松、转化为线性规划问题,设计出可以灵活分配导频,实现最大化系统可达速率的优化方案。仿真结果表明,本文提出的导频资源分配方案可以有效提升系统可达速率,所实现的性能逼近通过遍历搜索获得的最优导频分配方案性能,同时实现了计算复杂度的大幅度降低。所提出的导频分配策略可以灵活适应不同长度的导频序列,更加适应实际通信场景。该研究对蜂窝网络中导频分配的方案设计有一定指导作用。2)研究了分布式大规模天线系统中最大化系统能量效率的资源分配、天线开启和用户关联联合优化理论与方法。首先针对分布式系统,推导了系统可达速率表达式,进而结合更加实际的能量消耗模型,建立系统能量效率最大化问题。由于所建立的问题为混合整数规划问题,难以直接求解,本文设计了联合功率分配、天线开启与关闭、用户-基站关联的迭代优化算法,通过引入分层分解技术和连续凸逼近技术,将原始分解、转化为可以求解的凸问题,实现了对原始问题的有效求解。此外,对所提出算法的收敛性和计算复杂度进行了分析。仿真结果表明,所提出的联合优化策略可以有效提升系统能量效率。同时,结果表明,本研究提出的优化策略可以在保证用户服务质量的前提下,有效降低基站激活的天线数目,从而降低功率资源的消耗。3)研究了大规模天线支持的无线信息与能量同传系统可达速率优化理论与方法。针对大规模天线技术支持的无线信息与能量同传系统,推导了系统在莱斯信道中收割能量和可达速率的渐近表达式,从而建立和速率最大化问题和基于用户公平性的最小速率最大化问题。由于所建立的问题是非凸非线性优化问题,难以直接求解,提出了低复杂度的迭代优化算法,联合优化功率分配、功率分割系数和信道估计的时间,分别实现和速率的最大化和最小速率的最大化。仿真结果表明,所提出的两种优化算法都可以获得与遍历搜索算法几乎一致的系统性能,证明了所提出算法均可以获得全局最优解。本研究证明了大规模天线技术在无线信息与能量同传系统中的巨大应用潜力。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92
【图文】：

信息解码／能量收割逡逑图１－２无线信息与能量同传基本原理图逡逑典型的ＳＷＩＰＴ系统如图１－２所示。发送端发送信号为ｓ（ｒ），经过无线信道ｈ逡逑后，接收终端天线接收到的信号为逡逑ｙ（0邋＝邋ｈｓ（0邋＋邋ｎ（0，逦（１－２１）逡逑其中，ｎ（0为信道中的加性高斯白噪声。接收终端天线接收到的信号将被用于逡逑信息的解码和能量的收割，以实现无线信息与能量的同时传输。具体实现架构逡逑将在下一小节详细介绍，此处，将介绍系统能量收割的性能。假设接收终端将逡逑电磁波信号转换为能量的效率为ｐ邋？ｅ（０，ｌ）。如果所有接收到的信号都用于逡逑能量的收割，则收割到的能量可以表示为逡逑Ｑ邋＝邋？Ｅ［｜｜ｈｓ（0邋＋邋ｎ（ｒ）｜｜２］．逦ｄ－２２）逡逑虽然接收终端可以收割所有类型的无线能量

无线通信资源限制下，研宄了多场景中大规模天线系统资源管理与优化策略，逡逑旨在为未来无线通信系统的研究和应用提供技术支撑。本文的总体研究思路如逡逑图１－５所示。逡逑１．３．３论文组织结构逡逑本文共由五个章节组成，组织结构如下：逡逑第一章概括了本文的研究背景，简述了未来无线通信系统中通信需求日益逡逑增加与通信资源紧缺的矛盾，分析了解决此矛盾、提升系统频谱效率和能量效逡逑率的关键技术手段，即大规模天线技术，从而明确了本文要研究的主要内容。逡逑同时，本章讲解了研宄中所涉及的关键技术，即大规模天线技术和无线信息与逡逑能量同传技术。逡逑第二章研究了多小区多用户大规模天线系统中导频污染问题，提出了通过逡逑合理分配导频资源，降低导频污染的影响，提升系统频谱效率。设计了可以灵逡逑活分配导频资源的低复杂度算法。逡逑■邋１５邋？逡逑

本文编号：2719099