多小区网络中的高能效用户接入与传输设计

摘要

为了降低蜂窝网能耗、提高小区能量效率(EE，Energy Efficiency)，绿色网络的概念逐渐引起广泛关注。然而由于能效优化相比于频谱效率(SE，Spectral Efficiency)优化更加复杂，大多场景下很难得到最佳能效传输方案。特别是在实际应用中，信道信息（CSI，Channel State Information）通常在接收端被估计，然后接收端将估计到的信道信息反馈给发送端，该过程中不可避免将产生信息误差及延时。所以通常基站(BS，Base Station)得到的信道信息都存在一定的估计误差，获得准确的信道状态信息非常困难。本文主要针对信道信息误差下的鲁棒性高能效传输设计进行了一系列的研究和优化。
　　首先考虑在发送端信道信息不完全的情况下，论文针对单小区场景的鲁棒性能量效率进行优化。该部分从多输入单输出(MISO，Multiple-Input Single-Output)，多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)和中继传输三个场景分别进行分析。针对MISO场景，研究了满足最大化能效的最佳鲁棒性预编码策略，并给出最优预编码的闭式解析解。针对MIMO场景，得到了满足最佳鲁棒性能效的预编码满足信道对角化结构，由此可以将原来复杂的矩阵优化问题等价地转化为简单的标量优化问题，其最佳功率分配满足动态注水形式。针对中继场景，论文将原来复杂的分式中继预编码优化问题转化为一维搜索问题。特别地，在分析几种渐近场景时，论文中给出了简洁的闭式最佳解及其揭示的物理意义。
　　然后论文研究了多小区场景中的鲁棒性高能效传输优化问题。对于多小区场景，鲁棒性波束赋形设计是一个复杂的非凸分式问题，其求解方法无法直接从单小区场景推广获得。为了有效求解该问题，论文通过推导优化其下界，将其转化为半正定规划(SDP，Semidefinite Programming)的迭代优化问题。由于迭代过程可以在多基站之间并行运算，该算法可以实现分布式操作，从而极大地降低计算时延。
　　为了满足用户对于通信网络性能不断增长的要求，由宏基站组成的传统蜂窝网络拓扑也逐渐向在宏基站基础上配备一系列低发射功率节点的网络结构转变，这种不规则的多层网络通常被称为异构网络(HetNets，Heterogeneous Networks)。跟异构网络一样，能量效率也被认为是衡量未来网络性能的一个重要指标。论文最后研究了结合宏基站工作模式选择的高能效小区接入方案。不考虑用户服务质量（QoS，Quality of Service）约束时，论文得到了闭式最佳解。该解为很多系统设计提供了理论指导。进一步考虑用户QoS约束，可以将原来复杂的分式能效优化问题转化为线性规划，从而降低了问题求解的计算复杂度。此外，论文还通过理论推导和数值仿真说明在实际系统中可以通过简单的限制一个用户只被一个基站服务来获得近似最佳的网络能效。

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摘要

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缩略词

第一章 绪论

1．1．1 蜂窝网络中的鲁棒性传输设计

1．1．2 异构网络小区用户连接技术

1．2 论文主要研究工作和章节安排

第二章 单小区网络中鲁棒性能效优化

2．2．1 系统模型

2．2．2 鲁棒性能效的闭式解析解

2．2．3 仿真验证

2．3 MIMO信道场景下基于能效的鲁棒性优化

2．3．1 系统模型

2．3．2 鲁棒性畿效的最佳预编码结构

2．3．3 对于乘性不确定度模型的进一步讨论

2．3．4 仿真验证

2．4 中继场景下的高能效鲁棒性预编码设计

2．4．1 系统模型

2．4．2 问题构建以及最佳中继预编码矩阵设计

2．4．3 仿真验证

2．5 本章小结

2．6 附录

2．6．1 函数G(η)的性质

2．6．2 利用分式编程求解问题式(2．1 1)

2．6．3 闭式解式(2．1 2)求解过程

2．6．4 定理2证明

第三章 多小区鲁棒性能效优化

3．2 系统模型

3．3 问题构建

3．4 等效的带参相减问题优化

3．5 通过一个下界来求解G(η)

3．6 收敛性与复杂度

3．7 仿真验证

3．8 本章小结

3．9 附录

3．9．2 引理4

3．9．3 定理5证明

3．9．4 定理6证明

第四章 高能效异构小区接入策略

4．2 系统模型以及问题阐述

4．3 基于能效优化的用户接入策略

4．4 含用户QoS的高能效用户接入策略

4．5 仿真验证

4．6 本章小结

4．7 附录

4．7．1 引理5证明

第五章 全文总结与展望

5．1 论文全文总结

5．2 进一步研究方向

参考文献

作者简介(包括论文和成果清单)

致谢