高能效的無(wú)線資源管理技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，導(dǎo)致了能量消耗爆炸式的增長(zhǎng)，現(xiàn)有移動(dòng)通信行業(yè)已經(jīng)成為高能耗的產(chǎn)業(yè)。隨著高速率無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，通信系統(tǒng)的能耗會(huì)進(jìn)一步增加。綠色節(jié)能的通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。另外，移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無(wú)線資源是有限的，并且日益緊缺，例如:功率資源、時(shí)間資源、頻率資源、空間資源等。如何通過(guò)合理的資源配置獲得更高的系統(tǒng)性能，一直是無(wú)線通信技術(shù)研究的重要內(nèi)容。目前，高容量和高頻譜效率不再是無(wú)線資源管理追求的

2、單一目標(biāo)。本論文主要從能量效率最優(yōu)的角度，對(duì)無(wú)線資源管理問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行有效地配置，獲得最優(yōu)的系統(tǒng)能量效率，同時(shí)滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各種需求。
　　首先，研究了多天線多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)高能效的下行傳輸方法。在保證用戶最小速率要求的前提下，以系統(tǒng)能量效率為目標(biāo)，進(jìn)行聯(lián)合的波束成型和功率分配的設(shè)計(jì)。將問(wèn)題描述為一個(gè)非線性的分?jǐn)?shù)規(guī)劃，并且包含非凸的約束條件。由于小區(qū)間干擾的存在和目標(biāo)函數(shù)的分?jǐn)?shù)結(jié)構(gòu)，考慮采用多小區(qū)協(xié)作迫零的波束成

3、型方案，消除干擾，從而簡(jiǎn)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件的非凸形式。采用參數(shù)化的轉(zhuǎn)換對(duì)分?jǐn)?shù)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行非分?jǐn)?shù)的處理，并采用迭代算法計(jì)算輔助參數(shù)?？紤]到協(xié)作迫零波束成型進(jìn)行零空間的分解計(jì)算的復(fù)雜性，采用一種波束跟蹤的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在給定波束成型矩陣后，求解了能效最優(yōu)的功率分配問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，該方案的能量效率性能優(yōu)于傳統(tǒng)的最大化系統(tǒng)容量的傳輸方案，并且對(duì)于慢變信道，該方案能夠以更低的復(fù)雜度獲得與傳統(tǒng)空間分解方法接近的能量效率性能。
　　其

4、次，研究了多小區(qū)正交頻分多址接入(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)系統(tǒng)高能效的資源分配方法。該方案基于非完美的信道狀態(tài)信息進(jìn)行資源分配的設(shè)計(jì)，并通過(guò)基站間的協(xié)作來(lái)處理同信道干擾。提出一種聯(lián)合的用戶調(diào)度、速率分配和功率分配算法，最大化系統(tǒng)能量效率。由于目標(biāo)函數(shù)和約束條件的概率化限制，通過(guò)對(duì)約束條件的轉(zhuǎn)化和近似，推導(dǎo)了速率變量與其他優(yōu)化變量的函數(shù)關(guān)系。考慮到優(yōu)化問(wèn)題的混

5、合非凸性質(zhì)，即功率變量的連續(xù)性和用戶調(diào)度變量的離散性，采用一種交替計(jì)算的迭代算法，并證明了算法的收斂性。然后分別計(jì)算了能效最優(yōu)的用戶調(diào)度和能效最優(yōu)的功率分配。對(duì)功率分配子問(wèn)題進(jìn)行了下界縮放和參數(shù)化轉(zhuǎn)換，并且當(dāng)?shù)^(guò)程收斂時(shí)下界是緊的。通過(guò)最優(yōu)的能量效率的折衷函數(shù)曲線，分析了算法中最優(yōu)能量效率的一些有用性質(zhì)。仿真結(jié)果表明，雖然最優(yōu)問(wèn)題是非凸的，提出的方案可以得到與最優(yōu)能效的上界接近的能效性能。與傳統(tǒng)資源分配方案（如譜效最大化方案、不考慮信

6、道誤差的方案和等功率輪詢調(diào)度方案等）相比，該方案可以獲得更高的能效性能。同時(shí)，當(dāng)存在同信道干擾時(shí)，提出的算法能夠以很低的吞吐量損失，獲得較大的能效增益。
　　再次，研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高能效的資源分配方法。該資源分配方案以權(quán)重能效為目標(biāo)，即不同類型的基站具有不同的能效權(quán)重。將優(yōu)化問(wèn)題描述為一個(gè)非線性的分?jǐn)?shù)求和優(yōu)化問(wèn)題，并且同時(shí)考慮每個(gè)用戶的最小速率要求。為了處理優(yōu)化問(wèn)題的混合非凸形式，采用一種兩步方案，即分開處理子信道分配和功率分配問(wèn)題

7、。初始化一個(gè)功率分配，提出一種啟發(fā)式的子信道分配方案。首先找到距離速率要求最遠(yuǎn)的用戶，再將該用戶具有最高信干噪比的子信道分配給它。當(dāng)所有用戶的速率需求滿足后，每個(gè)子信道上以最大的信干噪比的方式進(jìn)行用戶選擇。對(duì)于給定的子信道分配，通過(guò)一階近似將目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行線性化，然后通過(guò)參數(shù)化方法對(duì)分?jǐn)?shù)求和算法進(jìn)行處理，并通過(guò)一個(gè)兩層迭代算法獲得功率分配。仿真結(jié)果表明，提出的算法需要很少的迭代次數(shù)就可以達(dá)到收斂，并且可以獲得比全局能效最大化算法和譜效最大

8、化算法更高的權(quán)重能效性能。另外，所提出的算法在宏基站和微微基站之間存在能量效率的折衷關(guān)系。
　　然后，研究了中繼輔助的OFDMA系統(tǒng)高能效資源分配問(wèn)題?？紤]多中繼多用戶的蜂窩系統(tǒng)，采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議。在保證系統(tǒng)最小速率的前提下，該資源分配算法以能量效率最大化為目標(biāo)。通過(guò)基站到中繼和中繼到用戶兩個(gè)時(shí)隙的聯(lián)合速率分配、功率分配和子載波分配，獲得最大的系統(tǒng)能量效率，保證最小速率和中斷概率等服務(wù)質(zhì)量要求。為了獲得全局最優(yōu)解，對(duì)優(yōu)化問(wèn)題的

9、子載波分配變量進(jìn)行了連續(xù)化松弛，使得所有優(yōu)化變量（速率變量、功率變量、載波分配變量）統(tǒng)一為連續(xù)變量。可以證明，最終的載波分配可以獲得和沒有松弛時(shí)相同的性能，即保證方案的全局最優(yōu)性。對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了參數(shù)化的處理，并通過(guò)二分法進(jìn)行了求解。由于在解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中，鏈路的容量為兩時(shí)隙的鏈路容量的最小值，所以每次迭代中需要求解的問(wèn)題是一個(gè)最大化最小問(wèn)題。通過(guò)引入輔助變量將該問(wèn)題轉(zhuǎn)換為上鏡圖形式，并在對(duì)偶問(wèn)題求解時(shí)通過(guò)最優(yōu)性判斷消除了新引入的輔助變量

10、，獲得全局最優(yōu)的資源分配解。另外，采用了比例公平的機(jī)制進(jìn)行了能效方案的設(shè)計(jì)，平衡系統(tǒng)的能量效率和用戶的公平性。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方案相比，提出的方案可以獲得更高的能效性能。同時(shí)，系統(tǒng)能效與譜效、系統(tǒng)能效與用戶公平性、系統(tǒng)譜效與用戶公平性存在一定的折衷關(guān)系。
　　最后，研究了中繼輔助的蜂窩系統(tǒng)低復(fù)雜度的高能效功率分配和速率自適應(yīng)方案?？紤]多中繼多用戶的蜂窩系統(tǒng)，采用前向放大中繼協(xié)議。該資源分配以能量效率為目標(biāo)，同時(shí)考慮系統(tǒng)的最小速

11、率限制和最大發(fā)射功率限制等約束條件。通過(guò)兩個(gè)時(shí)隙聯(lián)合的功率和速率的分配設(shè)計(jì)，獲得最大的系統(tǒng)能量效率和低復(fù)雜度最優(yōu)的資源分配方案?？紤]到問(wèn)題的非凸性，利用高信噪比近似和參數(shù)化轉(zhuǎn)換的方法，對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了求解。一般地，分?jǐn)?shù)規(guī)劃問(wèn)題需要迭代求解，并且在迭代過(guò)程中，需要多次求解多約束的優(yōu)化問(wèn)題。根據(jù)最優(yōu)解的可行域范圍，分別研究了該優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解可能出現(xiàn)的幾種形式，并分別進(jìn)行了求解。然后利用二分法的上下界特殊的更新形式，以及最優(yōu)能效與功率和速率