绿色无线网络资源分配关键技术研究

发布时间：2017-05-13 03:09

  本文关键词：绿色无线网络资源分配关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：长期以来,无线通信网络设计主要聚焦在如何在有限的通信频带上提供更快的数据传输速率以满足用户日益增长的带宽需求。伴随无线通信网络的迅猛发展,巨大的能耗开销已成为不容忽视的问题。因此,以降低能耗,减少碳排放量为设计目标的绿色网络已成为新一代无线通信网络的发展趋势。而作为无线通信网络核心技术之一的无线资源分配技术势必也将在节能减排方面起到关键性作用。为了提升频谱效率,诸如正交频分多址接入,载波聚合,中继等大量先进的通信技术被无线通信网络所应用。而大量新技术的应用使得新一代无线网络资源呈现出维度更高,粒度更细的特性。这既为节能设计提供了可能,同时也为无线资源分配引入了更多新的、复杂的约束条件,提出了新的挑战。不仅如此,能量供给方式的变化,特别采集能量的使用,是无线网络资源分配需要面对的另一个新课题。随着能量采集技术的发展,网络的能源既可以是采用传统的电网供电,也可以使用环境能量(风能,太阳能,振动能等)。而采集能量的使用将使得未来网络可以实现自给供能,持久运行,但与此同时,无线资源分配技术也必须解决由采集能源而带来的能量供给的随机性问题。综上,本学位论文以绿色节能作为无线网络资源分配的优化目标,以多维度无线资源在使用上的相互制约关系为优化约束条件,采用跨层优化的设计方法,以非线性规划为理论基础,研究绿色无线网络资源分配中的若干关键问题。拥有载波聚合能力的OFDMA无线网络具有典型的多维度,细粒度特性,可供分配的资源不仅包括二维时频资源块(RB),发射功率,还包括分量载波(CC),多维度资源给分配引入了复杂的约束关系,这不仅体现在同类型资源的分配上,而且不同类资源的使用也会存在相互制约。本论文首先研究具有资源高度耦合特点的OFDMA无线网络的建模、分析和求解的方法,作为后续节能设计的基础。针对多种载波聚合能力用户混合接入的网络场景,本论文以最大化网络效用(NUM)为目标,建立起CC,RB以及功率的联合分配模型。区别于现有研究,本论文提出了一种动态频谱资源指派与自适应功率分配相结合的算法(JCRPA算法),该算法以迭代的方式运行,充分挖掘了系统无线分集增益。而为了减小CC切换带来的系统开销,在JCRPA算法的基础上,进一步设计了CC切换控制机制。以能效为优化目标的资源分配技术是本论文研究的重点。由于能效目标函数不再是凹的,这使得在谱效优化中广泛采用的凸规划理论无法直接应用于对能效模型的分析与求解之中。但是,能效目标函数所具有的广义凹性却能够确保优化问题的KKT条件是最优解的充要条件,这为理论分析能效资源分配问题提供了基础。然而,现有研究大多着眼于利用KKT条件的必要性去分析和求解问题,而缺乏对其充分性的利用。本论文则充分利用KKT条件的充分性,提出了能效注水法,该方法通过构造满足KKT条件的决策变量和拉格朗日系数进而获得闭合最优解,为求解最大化能效的OFDMA资源分配问题提供一条新的有效途径。利用能效注水法,提出了子载波与功率联合分配算法(JERA算法),该算法以较小的计算复杂度实现了通过子载波指派与功率分配的联合优化,并在满足用户最低速率要求的前提下,实现了系统效用的最大化。本论文将OFDMA网络无线资源分配模型进一步扩展到支持中继转发的通信系统之中,研究了以能效为优化目标,同时满足基站与中继节点各自最大发射功率约束的资源分配问题。该分配模型属于分式规划,而由于能效函数的广义凹性,使得这类分式规划可以高效求解。基于凸优化与非线性分式规划理论,并结合译码转发中继通信的特性,本论文设计了一种能效优先的绿色资源分配(GRA)算法,实现了对子载波通信模式选择与用户调度,以及基站与中继节点功率控制。能量采集将深刻影响未来无线通信网络的设计。而从资源分配的角度分析,首先需要解决的难题是如何使功率分配满足因使用采集能量而给系统引入的新约束:能量因果约束和电池容量约束。这些约束使得在许多分配模型的求解中行之有效的“注水”功率分配方法不再适用。而由于该问题的KKT条件也具有充分性,所以沿用在能效注水法中所采用的构造最优解的思路,本论文提出了一种采集能量分配的新方法——能量转移法。该方法通过采用转移能量,首次得到了满足因果约束的功率分配表达式,并给出了最优转移能量的充分条件。根据该充分条件,本论文得到了最优功率分配所满足的转移能量方程组,并给出了该方程组解的解析表达式。将转移能量最优条件进一步与方程组扩展与收缩变换相结合,本论文提出了构造最优转移能量线性方程组的方法。并在此基础上,设计了能量转移功率分配(ETPA)算法以较低计算复杂度获得了最优功率分配的准确值。
【关键词】：无线资源分配 能量采集 能效注水 能量转移
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 缩略词表15-16
• 第一章 绪论16-32
• 1.1 研究背景16-17
• 1.2 新一代无线网络中的多维度资源17-19
• 1.3 能量采集无线通信网络19-21
• 1.4 国内外研究现状21-27
• 1.4.1 载波聚合OFDMA网络无线资源分配21-22
• 1.4.2 基于能效优化的OFDMA网络无线资源分配22-23
• 1.4.3 中继网络节能资源分配23-24
• 1.4.4 能量采集无线网络资源分配24-27
• 1.5 研究意义与主要研究内容27-30
• 1.6 论文结构与内容安排30-32
• 第二章 载波聚合OFDMA无线网络资源联合分配算法研究32-49
• 2.1 引言32-33
• 2.2 系统模型33-35
• 2.3 载波聚合OFDMA无线网络联合资源分配模型35-38
• 2.4 载波聚合OFDMA无线网络联合资源分配算法38-44
• 2.4.1 CC和RB的动态分配算法39-41
• 2.4.2 自适应功率分配算法41-42
• 2.4.3 JCRPA算法42-43
• 2.4.4 具有CC切换控制的JCRPA算法43-44
• 2.5 性能分析44-48
• 2.6 本章小结48-49
• 第三章 基于能效注水的OFDMA无线网络资源分配算法49-71
• 3.1 引言49-50
• 3.2 系统模型50-51
• 3.3 最优能效功率分配51-59
• 3.3.1 能效注水结构52-55
• 3.3.2 具有能效注水结构的功率矢量55-57
• 3.3.3 最优能效水位线x*的解析表达式57-58
• 3.3.4 最优能效水位线和最优能效58-59
• 3.4 最优能效子载波指派59-62
• 3.5 基于能效的联合资源分配算法62-65
• 3.6 性能分析65-69
• 3.7 本章小结69-71
• 第四章 基于能效优化的中继增强无线网络资源分配算法研究71-83
• 4.1 引言71-72
• 4.2 系统模型72-74
• 4.3 绿色资源分配算法74-77
• 4.4 性能分析77-81
• 4.5 本章小结81-83
• 第五章 基于能量转移的能量采集无线通信系统功率分配算法83-121
• 5.1 引言83-84
• 5.2 系统模型84-86
• 5.3 能量转移法86-111
• 5.3.1 最优功率分配的转移能量表达式86-88
• 5.3.2 转移能量的最优性条件88-94
• 5.3.3 转移能量方程组94-99
• 5.3.4 转移能量方程组的扩展与收缩99-109
• 5.3.5 最优正功率时隙集合??109-111
• 5.4 基于能量转移的功率分配算法111-113
• 5.5 性能分析113-119
• 5.6 本章小结119-121
• 第六章 全文总结121-124
• 6.1 本文贡献121-122
• 6.2 下一步工作的建议和未来研究方向122-124
• 致谢124-125
• 参考文献125-134
• 攻读博士学位期间取得的成果134-136

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本文编号：361447