無線通信網(wǎng)絡中基于預編碼的多用戶功率優(yōu)化理論研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和信息化進程的快速推進，不同網(wǎng)絡制式、不同技術(shù)標準、不同業(yè)務形式的信息系統(tǒng)趨于融合，信息的流通方式發(fā)生重大變革。這其中，無線通信扮演著越來越重要的角色并呈現(xiàn)出泛在、異構(gòu)、高數(shù)據(jù)速率、高服務質(zhì)量的趨勢和特點。近年來，智能移動終端的數(shù)量迅速增加，無線網(wǎng)絡規(guī)模不斷變大，未來的無線通信網(wǎng)絡需要將形式內(nèi)容多樣、數(shù)據(jù)比特量大、服務質(zhì)量要求高的信息實時、準確地發(fā)送到無線終端上。這使得未來無線通信系統(tǒng)所承載的數(shù)據(jù)量急劇增加。

2、>　　 為了滿足高速、海量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨?，需要進一步提升未來無線通信的系統(tǒng)容量。從這個角度分析，通信系統(tǒng)需要更加高效的利用有限的頻譜資源，例如通過認知無線電技術(shù)更為靈活地接入頻譜;增加所能并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)目，例如使用多天線及相關增強技術(shù);優(yōu)化功率資源的配置和使用，例如采用最優(yōu)功率分配技術(shù)。隨著以上三方面技術(shù)的發(fā)展，用戶對于未來無線通信的需求得到很大程度的滿足;但同時通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量的不斷變大、泛在異構(gòu)網(wǎng)絡布網(wǎng)密集且相互滲透、移動終

3、端數(shù)量的持續(xù)增加導致了無線通信網(wǎng)絡中的干擾環(huán)境更加復雜，以及無線通信資源的過度使用和消耗。因此，干擾受限和資源受限是制約未來無線通信發(fā)展的兩大因素。這勢必要求無線通信網(wǎng)絡采用干擾管理技術(shù)來抑制和消除不同數(shù)據(jù)流之間、用戶終端之間、通信網(wǎng)絡之間的干擾，例如在發(fā)送端應用預編碼等干擾管理技術(shù);在此基礎上，通過對資源進行有效乃至最優(yōu)配置，如對功率進行分配，進一步地提升無線通信系統(tǒng)的性能。在未來的無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)無線數(shù)據(jù)業(yè)務的多元要求，資源管理

4、和分配的目標可以適配從物理層數(shù)據(jù)傳輸能力到應用層服務質(zhì)量要求等多層面的需求。
　　 基于此，本文研究了基于預編碼的多用戶多天線無線通信網(wǎng)絡和認知無線電網(wǎng)絡中的最優(yōu)功率分配問題。資源優(yōu)化配置的目標包括最大化物理層的傳輸容量和、及應用層的峰值信噪比(PSNR)和。針對數(shù)學建模得到的多變量非線性非凸優(yōu)化問題，通過綜合運用分支定界(BranchandBound，B&B)框架、凸化放松技術(shù)、幾何規(guī)劃、凸函數(shù)組合特性、單調(diào)分析等數(shù)學理論與方

5、法，設計了目標問題的最優(yōu)功率分配算法。本論文旨在通過相關理論研究為未來無線通信網(wǎng)絡性能的分析和比較提供參考和依據(jù)，為未來無線通信網(wǎng)絡設計和資源管理提供理論和算法上的指導。本文的主要工作和創(chuàng)新點包括:
　　 1.研究了基于預編碼的多用戶MISO下行鏈路中最優(yōu)功率分配問題。針對多用戶MISO下行鏈路，在基站端使用SLNR預編碼對系統(tǒng)中的用戶間干擾進行抑制。在等功率分配得到的預編碼向量基礎上，以最大化多用戶MISO下行鏈路用戶容量和為

6、優(yōu)化目標，相關問題建模為一個帶約束的多變量非線性非凸優(yōu)化問題。由于該問題無法通過常規(guī)的凸優(yōu)化理論獲得全局最優(yōu)解，故基于非凸優(yōu)化理論，本論文設計了一種適用于任何信道條件下的最優(yōu)功率分配算法。進一步，通過分析可以發(fā)現(xiàn)當系統(tǒng)工作在高SINR區(qū)域時，問題可以通過近似，利用幾何規(guī)劃轉(zhuǎn)化成一個凸優(yōu)化問題。故在所設計的容量和最優(yōu)功率分配算法的基礎上，本文設計了一種基于自適應判決的功率分配算法，該算法可以在最優(yōu)性和復雜度之間取得折中。具體來說，當信道狀

7、態(tài)滿足高SINR條件時，通過幾何規(guī)劃完成對于功率分配問題的求解;而在高SINR信道狀態(tài)不能得到滿足時，使用所提出的容量和最優(yōu)功率分配算法對功率分配問題進行求解。通過數(shù)值仿真，可以發(fā)現(xiàn)在所研究的系統(tǒng)模型中，本部分提出的功率分配算法與三種已有的功率分配方案相比可以提供系統(tǒng)容量和方面的增益;并對仿真結(jié)果進行了解釋，從理論的角度分析了發(fā)送天線數(shù)目和接收端加性噪聲功率值對增益的影響。本創(chuàng)新點對應論文第二章的內(nèi)容和學術(shù)論文成果列表中的1。
　

8、　 2.研究了基于混合機會頻譜接入和預編碼的認知無線電系統(tǒng)中的最優(yōu)功率分配問題。
　　 針對基于混合機會頻譜接入的認知無線電系統(tǒng)，在次要用戶基站端采用SLNR預編碼來降低不同次要用戶之間的干擾和次要用戶系統(tǒng)對主要用戶的干擾，在所設計的預編碼的基礎上，以最大化次要用戶系統(tǒng)用戶容量和為目標，研究了不同子信道、不同用戶之間的最優(yōu)功率分配問題。在功率分配算法的設計過程中，要保證在主要用戶存在的子信道上，次要用戶系統(tǒng)對主要用戶的干擾要低

9、于主要用戶預先設定的干擾門限。功率分配問題建模為一個關于各個子信道上用戶功率變量、在功率約束和干擾門限約束下的連續(xù)變量非線性非凸優(yōu)化問題，本文基于分支定界框架和凸化放松技術(shù)設計了一種能以任意指定精度逼近全局最優(yōu)的功率分配算法。原問題借助凸化放松技術(shù)進行放松，轉(zhuǎn)化為一個凸優(yōu)化可解的問題，繼而在分支定界框架下對變量空間不斷進行劃分，通過不斷形成新的子問題，從而使通過放松后的問題求得的系統(tǒng)可達容量逐漸逼近原問題的最優(yōu)容量，并最終得到了能夠最大

10、化次要用戶容量和的全局最優(yōu)功率分配方案。本文通過數(shù)值仿真將所設計的最優(yōu)功率分配與已有的三種基于SLNR預編碼的功率分配方案進行比較，驗證了所設計的最優(yōu)功率分配算法在次要用戶系統(tǒng)容量和方面所能取得的增益。本創(chuàng)新點對應論文第三章的內(nèi)容和學術(shù)論文成果列表中的2。
　　 3.研究了基于預編碼的多用戶MISO下行鏈路多媒體傳輸中的最優(yōu)功率分配問題。
　　 在本部分研究中，以應用層上每個用戶接收到的視頻圖像的峰值信噪比(PSNR)作

11、為視頻質(zhì)量的衡量指標，并將其作為該用戶的效用函數(shù)。針對多用戶MISO下行鏈路，在發(fā)送端采用SLNR預編碼來抑制用戶之間的干擾，在得到的預編碼向量的基礎上，本文以最大化系統(tǒng)所有用戶PSNR和(等效于系統(tǒng)平均PSNR)為優(yōu)化目標在不同用戶之間進行功率分配。通過數(shù)學建模，目標問題建模為一個復雜的多變量非線性非凸優(yōu)化問題，該問題無法通過常規(guī)凸優(yōu)化理論進行求解。本文針對該問題設計了一種適用于物理層高SINR條件下的應用層PSNR和最優(yōu)功率分配算法