毫米波无线通信系统中的资源优化问题研究

发布时间：2020-11-14 17:23

　　 随着无线通信技术的不断发展,无线应用逐渐进入生产生活中的各个领域。人们对无线通信系统的性能需求也逐渐提升,这主要包括更高的通信带宽、更低的通信时延、更稳定的通信连接、更大规模的通信容量以及更高的通信效率。然而,现有的无线通信系统难以达到以上要求,人们迫切盼望着下一代无线通信系统的到来。毫米波通信因其丰富的频谱资源,普遍被认为将在下一代无线通信系统中发挥巨大作用。然而毫米波信号在空间下中衰减很快,需要利用大规模多输入多输出天线阵列通过波束成形技术将信号集中成极窄的方向性波束进行传输,波束越窄,能量传输效率、频谱利用率与系统容量等性能就越高。新的技术带来了丰富的计算与通信资源,也同时为资源的优化分配带来了新的挑战,如何在资源有限的情况下尽可能地提高系统各项性能便成为了毫米波通信中亟需解决的问题。本文在综述国内外最新研究成果的基础上,研究了多种场景下毫米波无线通信中的资源优化问题,并分别提出了对应的优化算法,为毫米波通信的实际应用提供了可行的方案。本文的主要工作如下:1.概述了毫米波无线通信领域的研究背景与应用,并综述相关资源优化问题研究进展。2.研究了在毫米波无线通信系统中多用户快速定位与跟踪问题。毫米波通信需要发射与接收双方通过波束对准,利用极窄的波束建立连接。例如在蜂窝小区场景中,基站需要对多个用户位置信息进行实时准确的估计与跟踪,以建立低时延的毫米波方向性通信。现有的多目标跟踪算法,如概率假设密度粒子滤波算法,难以做到流水线化计算,制约了跟踪实时性的进一步提高。对此,本文提出了一种改进的重采样算法,通过引入粒子复制序列集合以及待复制粒子序列,使得需要重采样的粒子在只获得自身信息与之前重采样粒子信息时即可进行粒子复制运算。通过引入该改进的重采样算法,整个概率假设密度粒子滤波算法能够实现完全流水线化运算。在此基础上,为进一步降低运行时延,在多核处理器硬件平台上提出了计算资源优化分配问题,并通过解决一组混合整数规划问题,得到了高时效的近似解法。仿真结果验证了提出算法在保证跟踪精度的情况下,能显著降低整个滤波算法的计算时延,有效提高多用户跟踪的实时性,为毫米波通信的建立奠定了基础,并为基站与每个用户的低时延通信提供了保证。3.研究了毫米波通信应用在蜂窝小区网络中的基站资源优化分配问题。考虑基站引入大规模多输入多输出天线阵列,当已知小区内多个用户位置的情况下,如何分配其天线资源以最大化系统收益即系统吞吐量的问题。将基站上的大规模天线阵列虚拟地分成若干个均匀线性子阵列,分别通过波束成形技术与对应的用户进行通信。由于大规模天线阵列与每个均匀线性子阵列都有着固定的形状,因此本文将资源优化问题建模为如何在矩形阵列中设计并合理地放置这些子阵列使得系统的收益最大。这既需要考虑每个用户对应子阵列的天线数量,又需要考虑子阵列在矩形阵列中的位置。根据子阵列的放置方式不同又包含两种的情况,1)所有线性子阵列都平行于矩形阵列的一条边;2)为了进一步提高系统收益,线性子阵列可以相互垂直放置。本文对以上两种情况分别建模,解决了两个NP-hard问题,得到了两种情况下多项式时间的近似算法。仿真结果验证了提出的两种算法在不同情况下都能有效地分配天线资源,得到有性能保证的系统收益。4.研究了毫米波通信应用在无线数据中心网络中的资源优化分配问题。考虑在数据中心网络中利用毫米波无线连接代替传统服务器间的有线连接,以提高数据中心网络灵活性及可扩展性的问题。随着数据应用不断的发展,数据中心网络中涌现了极度不平衡流量。为了降低不平衡流量带来的网络拥堵,在每个服务器机架顶布置毫米波阵列天线以建立点对点无线数据中心网络。通过分析阵列天线与波束成形技术特点,本文提出了无线数据中心网络硬件实现方式以及单层和三层两种网络拓扑结构,并给出了网络拓扑中节点与边的生成方式。之后,为了降低给定时间内系统中任务流的最大完成时间,本文建模了天线资源分配优化问题,通过变量替换等方式将其转化为几何规划问题并给出了解法。仿真结果验证了提出的毫米波无线数据中心网络结构与资源优化算法的有效性。5.对全文进行了总结,并对进一步的研究工作进行了展望。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN928
【部分图文】：

，规模多输入多输出（Ｍａｓｓｉｖｅ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ，?Ｍａｓｓｉｖｅ?术。??ｌｏｏ?Ｉ?１?「ｒｉｉｉ?Ｍ?ｍ?ｉ?（ｉｉ＼?！＊■??Ｌｉ＿｜＿?園ｉｓ??＾?－ｆ—??＾????？?／?Ｉ?＼ｌ?ｉｆ??０?２０?４０?６０?８０?１００１２０１４０１６０１８０?２００２２０２４０２６０?２８０３００３２０３４０?３６０?３８０４００??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?（ＧＨｚ）??图ｉ－ｉ毫米波频段大气衰减图ｗ??

１?绪论??ＣＪ?ｕ?ｏｂ?０?ｕ?Ｕ?０?Ｖ〇?ｕ?６??图１－３?Ｆａｔ－ｔｒｅｅ数据中心架构示意图??細??ｄｉｅ?０＾０?０?ｉ?￡５??图１－４?ＨｅＨｏｓ数据中心架构示意图??信，以降低通信热点的发生，降低系统传输时延。??有线数据中心网络主要分为两大类，一类是筒单的树状结构，在接入层使用接口较少??的廉价交换机，汇聚层使用接口较多也更昂贵的交换机，而在核心层使用拥有数百个万兆??接口的极为昂贵的高性能交换机以满足数据分发的需要。这种结构对核心层网络设备有极??高的性能要求，而且当服务器数量和拓扑结构发生改变时，难以满足可扩展性的需求，同??时容易带来带宽超额（ｏｖｅｒｓｕｂｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）的问题。??现有的数据中心网络主要为分级的互联网络结构，利用交换机将各个物理结构进行连??接［５７，５８］。通常是一种分级的胖树（Ｆａｔ－ｔｒｅｅ）型互联模型网络架构，通过加入冗余的带宽和??交换机阵列，使用经济的平价交换机代替昂贵的高性能交换机，同时冗余交换机的引入也??缓解了单点失效的问题。??传统的有线数据中心网络一般主要包含三层：核心层（Ｃｏｒｅ?Ｌａｙｅｒ?）、汇聚层（

細??ｄｉｅ?０＾０?０?ｉ?￡５??图１－４?ＨｅＨｏｓ数据中心架构示意图??信，以降低通信热点的发生，降低系统传输时延。??有线数据中心网络主要分为两大类，一类是筒单的树状结构，在接入层使用接口较少??的廉价交换机，汇聚层使用接口较多也更昂贵的交换机，而在核心层使用拥有数百个万兆??接口的极为昂贵的高性能交换机以满足数据分发的需要。这种结构对核心层网络设备有极??高的性能要求，而且当服务器数量和拓扑结构发生改变时，难以满足可扩展性的需求，同??时容易带来带宽超额（ｏｖｅｒｓｕｂｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）的问题。??现有的数据中心网络主要为分级的互联网络结构，利用交换机将各个物理结构进行连??接［５７，５８］。通常是一种分级的胖树（Ｆａｔ－ｔｒｅｅ）型互联模型网络架构，通过加入冗余的带宽和??交换机阵列，使用经济的平价交换机代替昂贵的高性能交换机，同时冗余交换机的引入也??缓解了单点
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本文编号：2883743