LTE-Advanced系统中无线资源分配技术研究

发布时间：2017-05-12 20:03

  本文关键词：LTE-Advanced系统中无线资源分配技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着无线通信技术的飞速发展以及移动用户对高速率数据业务需求的不断提升,移动通信系统经历了由模拟系统到第4代移动通信系统的多次变革与演进。LTE-Advanced系统作为准4G系统—LTE的进一步演进,通过引入协作多点(CoMP)传输、终端直通(D2D)通信等多种关键技术,达到提高系统频谱效率、增强网络覆盖能力、降低小区基站负载的目标。另一方面,LTE-Advanced系统中伴随着多媒体业务的急剧增长和网络规模的不断扩容,所产生的能源紧缺和环境污染问题也愈加严重,在未来无线通信系统中,频谱效率的提升不再是衡量网络性能的唯一标准,非可再生能源供给下的能量效率以及绿色能源供给下的网络可持续性,已成为新一代移动通信网络的设计准则。然而由于移动通信系统中无线资源的稀缺性与无线信道的不稳定性,如何对有限的资源进行合理配置以满足用户的业务需求和网络的各类性能指标,是LTE-Advanced系统需要研究的核心问题。本论文对LTE-Advanced系统中的无线资源分配技术进行了深入的研究,针对CoMP网络和D2D辅助通信的蜂窝网络,采用智能群体优化、凸优化、分数规划以及排队论等技术手段,提出了关于能量资源、时频资源和空域资源的优化分配策略。本文将性能指标的演进作为贯穿全文的线索,按照由频谱效率到能量效率再到能量供给可持续性的顺序逐层展开,形成了以下几个方面的研究内容和创新：1.针对CoMP JT网络场景,分别从启发式和最优化两个角度出发研究了基于容量最优的频谱资源分配策略。对于启发式的频谱资源分配策略,首先提出了种半动态协作集合选择方法,解决了协作节点选取问题中性能与复杂度开销之间的矛盾,然后在此基础上设计了适用于协作集重叠的频谱资源分配算法,该算法为中心用户和边缘用户提供平等的机会去使用频谱资源,在保证用户公平性的同时提升了小区用户的平均吞吐量。接下来从最优化的角度出发,提出了基于改进粒子群优化的频谱资源分配策略,该策略重点分析了边缘用户性能与系统整体性能之间的关系,通过引入边缘用户权重因子控制目标函数中边缘用户吞吐量所占比例,构建了CoMPJT下频谱分配的有约束非线性0一1规划模型,并根据问题模型对二进制变量优化、约束处理和加速收敛等方面进行改进,进一步形成了适用于CoMP JT频谱资源分配的二进制约束型粒子群优化算法,该算法通过调整权重因子的取值有效地均衡了边缘用户和系统整体的性能,在权重因子设置合理的情况下相比于现有方法对边缘用户吞吐量和系统整体吞吐量均有较大的提升。2.针对蜂窝与D2D混合网络,提出了一种基于容量最优的频谱与功率分配策略。该策略通过对D2D用户复用蜂窝上行链路资源时的干扰场景进行分析,以最大化系统总容量为目标对蜂窝用户与D2D用户的资源分配进行全局统一建模,该模型不再限制使用相同频谱资源的D2D用户数以及D2D用户可复用的资源数,从而提升了D2D资源复用的自由度。为了降低求解复杂度将容量优化问题分解为两个子问题,并进一步设计了两阶段资源分配策略。首先基于增量贪婪的思想,提出了改进的贪婪频谱分配算法,算法中通过引入用户交换和剔除操作避免分配结果陷入局部最优；在频谱分配结果确定后,采用拉格朗日对偶理论将功率优化问题转化到相应的对偶域求解,并提出了基于两层迭代的最优功率分配算法。以上资源分配策略根据信道状态信息动态调整蜂窝用户与D2D设备所使用的RB以及在各RB上的传输功率,在保证蜂窝用户性能的基础上提升了D2D用户的传输速率和网络的总容量。3.针对CoMP CS/CB下行多天线场景,分别提出了基于能量效率最大化和基于能量效率一频谱效率折中的协调用户调度、波束赋形和功率分配策略。为了有效地度量网络的能量效率,首先综合考虑数据传输、信号处理、回程链路损耗等各方面的能量消耗,对多小区协作系统的总功耗进行数学抽象,进而结合系统总容量分析获得能效优化目标。基于该目标针对第一类能效最大化问题构建了关于波束赋形向量与用户调度策略的分数规划模型,然后基于丁克尔巴赫定理将原问题转化为含参量的非分数形式等价问题并采用牛顿迭代算法对最优能效进行求解。对于牛顿迭代算法中内嵌的子优化问题,分别设计了基于一阶最优条件的迭代波束赋形向量优化算法和改进的贪婪用户调度算法。所提算法能够快速收敛到能效最优解,并且对系统能量效率有较大的提升。对于第二类基于能量效率-频谱效率折中的无线资源优化问题,通过引入最低速率约束使得每个用户的传输质量得到有效保证。在问题的求解过程中,首先综合牛顿迭代算法和二分法的优势,采用基于改进二分搜索的资源分配算法进行能效寻优,随后进一步提出了基于一阶凸近似的子问题求解方法和基于比特加载的速率约束优化算法。仿真结果表明,所提算法通过调整最低速率限制实现了用户速率与能量效率的有效均衡。4.针对可再生能源供给的CoMP网络和蜂窝与D2D混合网络,分别设计了基于能量可持续性的无线资源分配策略。由于可再生能源的供给能力具有高动态时变特性,因此基站中储能的变化过程是一个随机过程,首先借助排队理论,对能量变化过程的统计特性进行分析,将该过程建模为G/G/1排队模型,并进一步推导出了关于能量可持续时长的条件概率密度函数和均值表达式。接下来对可再生能源供给CoMP网络中的无线资源分配问题进行抽象建模,在建模过程中为了保证网络整体的不间断通信和各基站之间的公平性,将最大化最小能量可持续时长作为资源分配的优化目标,并综合考虑了用户的QoS需求。对于问题的求解,结合能量可持续时长的统计特性分析获得了关于基站传输功率的两个等价约束,并提出了一种低复杂度的半分布式迭代资源分配算法,该算法在保证用户传输性能的基础上提升了CoMP网络整体的可持续性。最后研究了可再生能源供电下D2D通信网络的功率分配问题,通过变量代换克服了原问题的非凸特性并获得了全局最优功率的闭式解,进一步提出了基于拉格朗日对偶理论的迭代功率分配算法。该算法以D2D用户传输总速率为优化准则,综合考虑了网络的可持续工作时长、蜂窝用户的QoS需求、基站与用户的发射功率限制等约束条件。仿真结果表明,所提出的算法在保证基站正常能量供给的同时,有效地提升了D2D通信所带来的性能增益。
【关键词】：LTE-Advanced系统 协作多点传输 终端直通通信 系统容量 能量效率 网络可持续性 频谱资源分配 功率分配 波束赋形 粒子群优化 凸优化 排队论
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-16
• 符号对照表16-17
• 缩略语对照表17-24
• 第一章 绪论24-52
• 1.1 课题研究背景和意义24-26
• 1.2 LTE-Advanced系统中资源分配的研究目标26-28
• 1.3 LTE-Advanced系统中资源分配的研究内容28-29
• 1.4 论文的主要研究场景29-35
• 1.4.1 协作多点传输网络30-32
• 1.4.2 蜂窝与D2D通信混合网络32-35
• 1.5 国内外研究现状35-44
• 1.5.1 CoMP协作集合选择和频谱资源分配技术的研究现状36-38
• 1.5.2 D2D辅助通信网络中的无线资源分配技术研究现状38-40
• 1.5.3 基于能效优化的资源分配技术研究现状40-42
• 1.5.4 基于可再生能源供给的资源分配技术研究现状42-44
• 1.6 论文的主要研究内容与创新44-49
• 1.6.1 CoMP联合传输频谱资源分配方法的研究44-45
• 1.6.2 蜂窝与D2D’混合网络中的无线资源分配研究45-46
• 1.6.3 基于最优能量效率的无线资源分配研究46-48
• 1.6.4 基于可再生能源供给的无线资源分配研究48-49
• 1.7 论文的组织结构49-52
• 第二章 CoMP联合传输频谱资源分配方法的研究52-78
• 2.1 引言52-54
• 2.2 CoMP JT系统模型描述54-56
• 2.2.1 CoMP场景中用户类型的划分方法54-55
• 2.2.2 小区中心用户传输模型55
• 2.2.3 小区边缘用户协作传输模型55-56
• 2.3 CoMP JT场景下的半动态协作方法56-65
• 2.3.1 半动态小区协作集合选择方法56-58
• 2.3.2 协作集重叠的频谱资源分配算法58-60
• 2.3.3 仿真实验与结果分析60-64
• 2.3.4 研究点小结64-65
• 2.4 基于粒子群优化的CoMP JT频谱分配算法65-76
• 2.4.1 频谱分配优化问题建模65-67
• 2.4.2 粒子群算法原理67-68
• 2.4.3 提出的频谱分配算法68-72
• 2.4.4 仿真实验与结果分析72-75
• 2.4.5 研究点小结75-76
• 2.5 本章小结76-78
• 第三章 蜂窝与D2D混合网络中的无线资源分配研究78-104
• 3.1 引言78-79
• 3.2 资源复用干扰场景分析及优化问题建模79-82
• 3.3 频谱资源分配算法82-87
• 3.3.1 基于贪婪思想的频谱资源分配82-83
• 3.3.2 贪婪算法存在的缺陷83-84
• 3.3.3 改进的贪婪频谱资源分配算法84-87
• 3.4 功率分配算法87-96
• 3.4.1 拉格朗日对偶理论87-88
• 3.4.2 KKT条件88-89
• 3.4.3 非凸优化问题的对偶理论89-91
• 3.4.4 基于对偶分解的功率分配算法91-94
• 3.4.5 对偶差额分析94-96
• 3.5 仿真实验与结果分析96-101
• 3.5.1 仿真参数设置96-97
• 3.5.2 实验结果与分析97-101
• 3.6 本章小结101-104
• 第四章 基于最优能量效率的无线资源分配研究104-140
• 4.1 引言104-106
• 4.2 系统场景描述及功率消耗建模106-108
• 4.3 基于能效最大化的无线资源分配108-124
• 4.3.1 优化问题建模108-109
• 4.3.2 分数规划及其重要性质109-110
• 4.3.3 基于牛顿迭代的能效最优资源分配算法110-112
• 4.3.4 基于一阶最优条件的迭代波束赋形向量优化算法112-116
• 4.3.5 改进的贪婪用户调度算法116-118
• 4.3.6 仿真实验与结果分析118-124
• 4.3.7 研究点小结124
• 4.4 基于最低传输速率约束的能效最优无线资源分配124-139
• 4.4.1 优化问题建模124-125
• 4.4.2 基于改进二分搜索的能效最优资源分配算法125-129
• 4.4.3 基于一阶凸近似的子问题求解129-132
• 4.4.4 比特加载算法132-135
• 4.4.5 仿真实验与结果分析135-138
• 4.4.6 研究点小结138-139
• 4.5 本章小结139-140
• 第五章 基于可再生能源供给的无线资源分配研究140-170
• 5.1 引言140-142
• 5.2 基站能量缓冲模型与ESD统计特性分析142-146
• 5.3 CoMP网络中基于可再生能源供给的无线资源分配146-159
• 5.3.1 系统场景与问题建模146-148
• 5.3.2 约束条件(C20.1)的等价转化148-149
• 5.3.3 半分布式联合调度与功率分配算法149-154
• 5.3.4 算法收敛特性和复杂度分析154
• 5.3.5 仿真实验与结果分析154-159
• 5.3.6 研究点小结159
• 5.4 可再生能源供给下蜂窝与D2D混合网络中的功率分配159-168
• 5.4.1 系统模型及问题描述159-161
• 5.4.2 迭代功率分配算法161-164
• 5.4.3 仿真实验与结果分析164-167
• 5.4.4 研究点小结167-168
• 5.5 本章小结168-170
• 第六章 结论与展望170-174
• 6.1 主要工作与贡献170-172
• 6.2 后续研究工作展望172-174
• 参考文献174-186
• 致谢186-188
• 作者简介188-190

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