协同通信系统中无线资源管理技术研究

摘要

协同通信技术从协作的角度，把无线通信系统的信道、物理层传输、网络层管理等综合在一起进行设计和优化，方便加载新业务，融合新技术，能够为MIMO、OFDM、认知无线电等无线传输技术和无线通信网络带来协作增益，可以大大提高频谱效率，对无线资源管理带来了新的挑战。本文着重研究协作无线通信系统的资源管理问题，主要针对基于多载波技术的无线中继通信中资源分配和管理、多小区MIMO协同通信系统中反馈带宽分配，以及D2D协作系统中如何自适应地选择传输模式等问题展开研究，旨在充分利用有限的无线资源，提高功率效率和频谱利用率。
　　论文第二章针对基于OFDM技术的中继系统频谱和功率分配进行了研究。考虑了目标节点复用接收直接链路和中继链路信号，中继节点分别以解码转发、放大转发这两种典型模式工作。在源节点和中继节点在独立功率受限的约束条件下，为使目标节点接收容量最大化，优化源节点和中继节点发送功率的比例关系。然后据此分析发送功率和信道增益的效用函数，提出了各链路上子载波选择配对准则，通过迭代调整各链路上的子载波选择及配对，在独立功率约束条件下使系统容量最大化，提高无线中继系统频谱效率和功率效率。论文进一步分析了当OFDM系统中存在子载波处于深衰落时，子载波筛选对系统容量的影响，提出一种子载波筛选准则，更好地发挥功率的效用，提高OFDM系统在信道状态较差情况下的系统性能。
　　第三章针对多小区MIMO协作通信系统中反馈带宽的有效利用展开研究。在分析了部分信道状态信息已知对几种经典协作波束成形技术的影响后，针对迫零波束成形策略，在信道状态信息反馈带宽受限条件下优化系统性能，提高系统反馈链路带宽的利用效率，从而使系统获得更高的可达速率。然后，将协作程度限制于仅共享协作基站覆盖范围内激活用户的信道信息，利用用户从服务小区和相邻小区平均接收信号功率的差异，优化反馈带宽的分配。论文在两小区和三小区组成协作集群时，推导出有效信道和干扰信道上量化反馈状态信息的带宽分配闭式解，可以以较低的运算复杂度得到接近最优分配的性能。对于超过三小区协作的一般情况，提出了一种最速梯度下降搜索法，可以快速收敛于满足约束条件的次优结果。
　　第四章研究了D2D通信系统中的自适应协作传输技术。同频干扰问题是影响D2D系统性能的关键因素，基站在发送信号时预编码策略的选择，不仅影响基站发送的信号对于D2D链路接收端产生的同频干扰，还影响基站对于信道状态信息的需求量。综合考虑用户位置信息、信道信息反馈的量化误差，以及反馈延时的影响，分别在基站采用最大比发送和干扰消除这两种预编码策略时，通过分析小区用户、D2D用户接收到的有效信号和干扰信号的概率分布特性，推导出小区用户、D2D用户可达速率的期望值的闭式解。应用推导的系统可达速率闭式解，并根据信道统计特性，帮助基站自适应地选择合适的预编码传输方案，使基站更有效地利用有限的反馈带宽获取所需信道状态信息，提高D2D通信系统性能。

目录

声明

摘要

缩略词表

符号说明

第一章 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 课题研究的历史和现状

1．2．1 协作通信技术的兴起

1．2．2 多载波中继通信系统

1．2．3 多小区协作通信技术

1．2．4 D2D通信技术

1．3 论文的主要工作与内容安排

第二章 多载波中继通信系统无线资源管理

2．1 引言

2．2 三节点中继通信系统

2．3 解码转发模式下的资源优化

2．3．1 注水功率分配

2．3．2 子载波选择和配对

2．3．3 仿真实验结果

2．4 放大转发模式下的资源优化

2．4．1 注水功率分配

2．4．2 子载波选择和配对

2．4．3 仿真实验结果

2．5 低信噪比时的子载波筛选

2．6 本章小结

第三章 多小区协作通信网络反馈带宽优化

3．1 引言

3．2 多小区协作通信系统模型

3．3 典型协作波束成形技术

3．4 迫零预编码的有限反馈策略

3．4．1 反馈带宽的优化问题

3．4．2 反馈带宽的分配方案

3．5 数值仿真与结果分析

3．5．1 几种典型分配算法

3．5．2 仿真实验结果

3．6 本章小结

3．7 附录

3．7．1 附录3A定理1的证明

第四章 D2D通信系统可达速率分析

4．1 引言

4．2 系统模型

4．2．1 D2D移动通信系统模型

4．2．2 信道量化反馈和延时模型

4．3 最大比发送模式下系统可达速率分析

4．3．1 小区用户的可达速率

4．3．2 D2D用户的可达速率

4．4 干扰消除模式下系统可达速率分析

4．4．1 小区用户的可达速率

4．4．2 D2D用户的可达速率

4．5 自适应预编码方案选择

4．6 本章小结

4．7 附录

4．7．1 附录4A待用定积分函数的定义

4．7．2 附录4B函数R1(c0，c1，c2，M)的定义

4．7．3 附录4C函数R2(c0，c1，c2)的定义

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

作者博士生期间论文和成果清单