面向大规模阵列天线系统的多尺度在线随机优化算法设计

发布时间：2022-02-23 02:16

　　在过去十年中,智能移动设备数量、类型以及功能上的爆炸性增长推动了诸如智慧医疗、智慧家居以及智能制造等新兴服务的发展。为了在各种新兴服务中实现有效且可靠的数据传输,我们必须重新设计当前蜂窝系统的框架以改善系统整体的频谱效率和能量效率。针对上述问题,一种名为大规模阵列天线的技术应运而生。相比较于单天线无线通信系统,大规模阵列天线技术能以较低的硬件成本和实现复杂度来实现极大的空间复用增益和天线阵列增益,从而在不使用额外带宽和能量的情况下为系统内所有用户提供均匀且优质的通信服务。为了能进一步利用大规模阵列天线技术在频谱效率和能源效率上带来的性能增益,本文对系统中时域、频域和空域上资源的特性进行更深层次的分析与处理,进而为大规模阵列天线系统量身定制配套的资源分配方案,从而实现系统内时、频、功、空域资源的多粒度全方位利用。然而,传统多天线系统中基于确定性优化理论设计的优化算法大多需要根据瞬时信道状态信息对优化变量进行快时间尺度的更新,从而导致其所需的信令开销、计算复杂度以及实现成本都将随基站侧天线数的增加而指数型的增长,这也进一步制约其在未来大规模阵列天线系统中的应用。针对上述性能瓶颈,在本文中我... 

【文章来源】：浙江大学浙江省211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：223 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
符号对照表
缩写词列表
第一章 绪论
    1.1 大规模阵列天线系统的研究背景及现状
    1.2 优化理论基础及进展
        1.2.1 优化理论基础回顾
        1.2.2 逐级凸近似算法
        1.2.3 分式规划算法
        1.2.4 分布式优化算法
        1.2.5 随机优化算法
    1.3 论文主要内容和结构安排
第二章 基于Massive MIMO Aided C-RAN系统中上行链路的前向压缩技术研究
    2.1 研究动机与主要成果
    2.2 系统模型
        2.2.1 网络架构和信道模型
        2.2.2 在RRH处部署的多时间尺度混合压缩方案
        2.2.3 在BBU处部署的信号检测
        2.2.4 多时间尺度混合压缩方案的时间帧结构及可达数据速率
    2.3 基于多时间尺度混合压缩方案的优化问题描述
        2.3.1 多时间尺度联合优化问题P的构建
        2.3.2 问题P驻点解的定义
    2.4 在线BC-SSCA算法
        2.4.1 在线BC-SSCA算法整体流程
        2.4.2 BC算法流程
        2.4.3 算法收敛性分析
        2.4.4 计算复杂度分析
        2.4.5 实施考量
    2.5 仿真结果与分析
        2.5.1 在线BC-SSCA算法的收敛性能
        2.5.2 不同方案随前向链路容量变化的速率性能比较
        2.5.3 不同方案随RRH端天线数变化的速率性能比较
        2.5.4 不同方案随CSI时延变化的速率性能比较
        2.5.5 不同方案随反馈的总量化比特数变化的速率性能比较
    2.6 本章小结
第三章 基于Massive MIMO多小区系统中下行链路的随机多时间尺度混合预编码技术研究
    3.1 研究动机和主要成果
    3.2 系统模型
        3.2.1 网络架构和信道模型
        3.2.2 在基站处部署随机多时间尺度混合预编码方案
        3.2.3 可达数据速率
    3.3 基于随机多时间尺度混合预编码方案的优化问题描述
        3.3.1 多尺度联合优化问题P的构建
        3.3.2 问题P的近似
        3.3.3 问题PE驻点解的定义
    3.4 TOSO-RTHP算法
        3.4.1 TOSO-RTHP算法整体流程
        3.4.2 WMMSE算法流程
        3.4.3 算法收敛性分析
        3.4.4 计算复杂度分析
        3.4.5 实施考量
    3.5 仿真结果与分析
        3.5.1 不同方案随BS处天线数变化的PFS性能比较
        3.5.2 RTHP方案在不同系统参数下随BS端模拟预编码器方案数变化的PFS性能比较
        3.5.3 不同方案随CSI时延变化的速率性能比较
        3.5.4 不同方案间在给定系统参数下吞吐量性能比较
    3.6 本章小结
第四章 基于Massive MIMO Aided IoT系统中下行链路的多时间尺度信息能量同传技术研究
    4.1 研究动机和主要成果
    4.2 系统模型
        4.2.1 网络架构和信道模型
        4.2.2 多时间尺度联合预编码和功率分裂方案的时间帧结构及可达遍历速率.
        4.2.3 非线性能量采集模型
    4.3 基于多时间尺度联合预编码和功率分裂方案的优化问题描述
        4.3.1 多时间尺度联合优化问题P的构建
        4.3.2 问题P驻点解的定义
    4.4 MO-SSCA算法
        4.4.1 MO-SSCA算法整体流程
        4.4.2 FP-BCD算法流程
        4.4.3 算法收敛性分析
    4.5 仿真结果与分析
        4.5.1 不同方案随IoT设备处接收信号信噪比变化的效用性能比较
        4.5.2 不同方案随BS处发射天线数变化的效用性能比较
        4.5.3 不同方案随系统内IoT设备数变化的效用性能比较
        4.5.4 不同方案间在给定系统参数下平均遍历容量和平均采集能量性能比较.
    4.6 本章小结
第五章 基于多标签共生无线电系统中下行链路的随机收发机技术研究
    5.1 研究动机和主要成果
    5.2 系统模型
        5.2.1 网络架构和信道模型
        5.2.2 随机收发机的时间帧结构和实施考量
        5.2.3 信干噪比的定义
        5.2.4 基于随机收发机方案优化问题的构建
    5.3 BSPD算法
        5.3.1 问题P驻点解的定义
        5.3.2 BSPD算法的整体流程
        5.3.3 PO算法流程
        5.3.4 算法收敛性和计算复杂度分析
    5.4 仿真结果与分析
        5.4.1 BSPD算法的收敛性能
        5.4.2 不同方案随PT处发射天线数变化的平均SINR性能比较
        5.4.3 不同方案随PR处接收天线数变化的平均SINR性能比较
        5.4.4 不同方案随PT处发射功率预算变化的平均SINR性能比较
        5.4.5 不同方案在给定系统参数下的DL传输速率和最差BL传输误比特率性能比较
    5.5 本章小结
第六章 基于异构大规模连接系统中上行链路的非正交导频技术研究
    6.1 研究动机和主要成果
    6.2 系统模型
        6.2.1 网络架构和信道模型
        6.2.2 免授权非正交多址接入方案
    6.3 基于非正交导频方案的优化问题描述
        6.3.1 优化问题的构建
        6.3.2 优化问题的近似
    6.4 空间白信道模型下的分布式导频设计
        6.4.1 基于矩阵分式规划算法的问题转换
        6.4.2 FP-ADMM算法流程
        6.4.3 收敛性分析
    6.5 空间相关信道下的分布式导频设计
        6.5.1 基于块矩阵运算方法的问题转换
        6.5.2 BC-ADMM算法流程
        6.5.3 收敛性分析
    6.6 计算复杂度分析和实施考量
        6.6.1 计算复杂度分析
        6.6.2 实施考量
    6.7 仿真结果与分析
        6.7.1 空间白信道模型下算法性能分析
        6.7.2 空间相关信道模型下算法性能分析
    6.8 本章小结
第七章 总结与展望
参考文献
附录
    A 在第二章中关于瞬时速率的雅可比矩阵
    B 在第二章中关于引理2的证明
    C 在第二章中关于定理6的证明
    D 在第三章中关于引理3的证明
    E 在第三章中关于瞬时速率的雅可比矩阵
    F 在第三章中关于引理4的证明
    G 在第三章中关于引理5的证明
    H 在第三章中关于定理8的证明
    I 在第四章中关于引理7的证明
    J 在第四章中关于定理9的证明
    K 在第五章中关于引理11的证明
    L 在第五章中关于定理11的证明
    M 在第六章中关于定理12的证明
    N 在第六章中关于引理13的证明
攻读博士学位期间主要研究成果及参与的科研项目



本文编号：3640665