云无线接入网中协作多点传输的资源分配方法研究

发布时间：2020-11-09 09:29

　　 日益普及的智能移动终端对便捷通信的需求推动着无线通信新技术的迅猛发展。云无线接入网(C-RAN,Cloud Radio Access Network)作为一种新型网络架构,将传统基站的基带处理和无线传输功能从地理位置上分隔开,构成一种远端射频单元通过前传链路连接至基带处理单元的集中式架构。该架构能够以虚拟多输入多输出的方式进行小区间协作多点传输,获得空间分集增益。但同时,C-RAN全新的架构也带来了一些技术应用层面的挑战,体现在如下几个方面:一是C-RAN的大规模部署倾向于使用低成本的无线收发机硬件,导致系统内存在收发机硬件减损,在协作信号的收发过程中引入硬件畸变噪声,严重影响系统性能的提升。二是C-RAN的协作多点传输需要在地理上分散的天线之间共享信道状态信息以及终端数据,当协作规模较大时上述数据量极为庞大,即使采用光纤前传链路作为传输通道也面临着极大的压力。三是在光纤前传链路不可达的区域,C-RAN通常使用无线通道作为前传链路,迫切需要灵活高效地分配有限的无线前传链路带宽,有效支撑信道状态信息以及终端数据在天线间的共享。鉴于此,本论文针对C-RAN的协作多点传输,通过对天线、前传链路带宽以及发射功率等资源的高效分配来优化系统性能,达到最大程度抑制干扰、增加容量、降低能耗的目的。具体开展如下研究:(1)C-RAN网络架构以及性能优化模型。对C-RAN以及传统移动通信网络的架构以及信号传输流程进行对比,以频谱效率和能量效率作为系统利用频谱以及能量的效率评价参数。分析小区间干扰对系统性能的影响,明确联合处理、协作波束成形、协作静默三类协作多点传输的工作机制。重点对联合处理的原理进行分析,将其建模为优化问题并求得最优解的结构,通过渐近性分析得到特殊场景的预编码优化策略,为后续研究提供理论基础。(2)针对使用低成本收发机硬件的C-RAN协作多点传输,提出存在收发机硬件减损的协作鲁棒性优化策略,解决硬件减损导致的系统性能下降问题。建立无线收发机的硬件减损模型,计算硬件畸变噪声,分析其对协作多点传输的信道估计和数据收发的影响,并基于信道容量下界构建了旨在提升系统最差能量效率性能的多目标优化问题。将该问题利用帕雷托思想转换为单目标优化问题,并提出基于KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件的迭代算法进行求解,得到协作功率的最优分配值,实现协作多点传输对于收发机硬件减损的鲁棒性。(3)针对使用光纤前传链路的C-RAN协作多点传输,提出高能量效率的非对称协作优化策略,解决大规模协作时光纤前传链路严重受限以及系统能耗高的问题。综合考虑协作复杂度以及低能耗的绿色通信需求,非对称地选择参与协作的天线。同时,引入适用于C-RAN的能耗模型,提出与协作复杂度相关的基带信号处理以及前传链路的能耗计算机制。在此基础上,搭建满足凸性的能量效率优化问题,利用詹森不等式(Jensen's inequality)将目标函数转换为其下界值,并提出联合优化求解方法,通过分步迭代求得最优的协作天线数以及分配功率,实现前传链路带宽受限时高能量效率的大规模协作。(4)针对使用无线前传链路的C-RAN协作多点传输,提出基于背包算法的前传链路带宽分配优化策略,满足无线前传链路资源在协作天线间的灵活分配需求。搭建无线协作以及无线前传的链路模型,在二者之间建立耦合关系,通过定义链路协作贡献度将无线前传链路带宽的分配建模为以链路协作贡献度为收益、以无线前传链路带宽为体积的背包优化问题。利用虚拟天线将该问题转换为可求解的0-1背包问题,并提出基于递归分治的动态规划算法,引入强制背包与可选背包,在保障终端信号干扰噪声比要求的同时以低空间复杂度最优地分配无线前传链路带宽,实现C-RAN使用无线前传时协作多点传输性能的提升。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN92
【部分图文】：

链路、天线、功率等资源进行分配，实现ＣｏＭＰ性能的联合优化，提升频谱效??率与能量＇效率。??本文研宄将围绕Ｃ－ＲＡＮ中协作多点传输的性能优化需求，从如图１－３所??示的四个方面开展：（１）?Ｃ－ＲＡＮ网络架构以及工作机制、性能优化模型。该??部分内容为后续研宄提供理论基础与前提。（２）存在收发机硬件减损的协??作鲁棒性优化。该部分内容针对使用低成本收发机硬件的Ｃ?－ＲＡＮ协作多点传??输场景，旨在解决硬件减损导致的系统性能下降何题。（３）高能量效率的非??对称协作策略优化。该部分内容针对使甩光纤前传链路的Ｃ－ＲＡＮ协作多点传??输场景，旨在解决大规模协作时光纤前传链路严望受限以及系统能耗高的问??题。（４）基于背包算法的前传链路带宽分配优化。该部分内容针对使用无线??前传链路的Ｃ－ＲＡＮ协作多点传输场景，旨在解决无线前传链路资源在协作天??线间的灵活分配问题。??■翁罐＾?核心网ＣＮ??ＷｍｍＭｍｍｉ???ｓ带处理单元???Ｌ?１?Ｖｂｂｕ?（ＣＵ／ＤＵ）??网络架构及?／ｖ／?＼?基于背包算法的前传??．工作机制?／＾／?链路带宽分配优化??（第二章）?ｍ?＇（ｇ）?（第五章）??人浅工?远端麵

Ｆｉｇ．?２－３?ＣＵ／ＤＵ?ｂａｓｅｄ?５Ｇ?Ｃ－ＲＡＮ?ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＾２７１??２．２．２信号传输流程??对于图２－１左侧的传统移动网络架构，其下行信号传输流程为：首先，核??心网将终端数据逋过Ｍ传链路（Ｂａｃｋｈａｕｌ）传输至＿站；然后，＿站的基带处??理设备对信号进行处理，并将其转换成射频？号，通过射频线缆传输至基站??天线；最后，基站天线将射频儀号通过无线链路传输至终端。??对于图２－１右侧的Ｃ－ＲＡＮ架构，其下行号传输流程为：首先，核心网将??终端数据通过回传链路传输至ＢＢＵ；然后，ＢＢＵ调度基带处理资源对债号进??行处理，将其转换成Ｉ／Ｑ中频＃号并通过前传链路传输至ＲＲＨ；最后，ＲＲＨ??将接收到的Ｉ／Ｑ儒醫通过射频组件加载至天线，并通过无线链路传输至终端。??可见

?对式（２－６）以及式（２－７）进行简单验证。令５为１０ＭＨｚ、ａ２为１、Ｐｃ为１０Ｗ，??则由图２－５可见，仅考虑信号发射功率作为系统能耗时，？／ＥＥｌｆ?％Ｅ呈矛盾关系，??即当：较小，发射功率极低时．，较大而錢同时考虑信每发射功率与电??路能耗作为系统能耗时，？不再呈矛盾关系，而是在？細取特定值时较??大，这也与其他文献结果吻合％。??１?４?［－?＇?！?！?！￣￣?！?－??：?｜?＿？＿Ｐｃ?＝?ＯＷ］??１２????■?■?Ｂ?ｐｃ?＝?１〇?Ｗ?－??１０?Ｖ????－??Ｉ?Ｉ?＿??ａ?６???－??＼?．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．??２．??〇｜?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ???０?１?２?３?４?５??Ｔ｜ｓＥ（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）??图２－５单小区能量效率与频谱效率关系??Ｆｉｇ．?２－５?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＳＥ?ａｎｄ?ＥＥ?ｉｎ?ｓｉｎｇｌｅ－ｃｅｌｌ?ｓｙｓｔｅｍ??对于多小区场景，除了频谱效率与能耗外，小区间■干扰亦对％Ｅ产生影??响。??考虑两个单终端小区ＣｌｉｆＣ２，分别覆盖终端以与的，则该系统的能量效??率为［７２］：??＝Ｂ?■?（／／Ｃｌ，ＳＥ?＋?＾２ｉｓｅ）?＝??Ｂ?？?（－＾Ｃｌ，ＳＥ?＋?＾ｑ．ｓｅ）??ｎ??細－＾．．ｔｏｔａｌ＋Ｐ＾ｔｏｔａｌ?－?２Ｐｃ?＋?ＡＰＰＴ（＾＾?＋?＾ｆ＾）?１?’??式中
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本文编号：2876214