基于稀疏码多址接入的无线网络资源管控技术研究

摘要

面对日益增长的高速数据业务和大规模物联网（IOT，Internet Of Things）设备接入的需求，第四代移动通信系统（4G，The4th Generation Mobile Communications System）使用的低谱效的正交频分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）技术已无法满足未来无线通信系统的需求。发展新型多址接入技术是满足第五代移动通信系统（5G，The5th Generation Mobile Communications System）对高速率、低时延、高可靠、海量设备连接等需求的重要途径。目前，稀疏码多址接入技术（SCMA，Sparse Code Multiple Access）由于其能够在保证用户间干扰和接收端解码复杂度可控的前提下，实现在有限的时频资源上承载更多用户数量以及更大数据流量而备受业界关注，是5G的备选空口技术之一。此外，为了进一步提升网络的频谱效率，5G系统在使用新型多址技术的同时，还会联合使用其它多种频谱复用技术，如终端直通（D2D，Device-to-Device）和超密集组网等技术。然而，多种频谱复用技术的联合使用使网络中的干扰变的异常复杂和严重，这为资源管控算法的设计带来了严峻的挑战。
　　鉴于上述原因，本文研究基于稀疏码多址接入的无线网络中的资源管控算法。首先研究其在蜂窝与D2D融合网络中的资源分配和能效优化问题；然后，针对网络密集化发展的趋势，研究其在密集网络中的低能耗资源分配技术。具体研究内容如下：
　　1.研究了基于SCMA的蜂窝和D2D融合网络中的干扰管理和能效优化问题。其中，蜂窝用户使用SCMA而D2D用户使用OFDMA。具体的，将该问题建模为一个优化模型，在用户基本速率需求、码本分配和子载波复用的约束下最小化蜂窝用户和D2D用户的总发射功率。为了高效的解决这个问题，本文首先构建了一个干扰图来建模蜂窝用户和D2D用户之间的跨层干扰，根据构建的干扰图设计了一个高效次优的资源分配算法来协调蜂窝用户和D2D用户之间的干扰。然后，提出了一个易于实施的迭代功率控制算法来优化所有用户的发射功率。最后，在蜂窝用户和 D2D用户的总发射功率和系统总干扰方面与另外两种经典算法进行了大量的仿真对比。结果表明本文提出的算法更好地协调了系统中的干扰，降低了用户发射功率。
　　2.研究了基于SCMA的密集网络中的用户总发射功率最小化问题。由于密集网络中大规模多小区联合资源分配问题的全局最优解的获取需要高额的计算复杂度和大量的控制开销。因此，本文提出了低复杂度次优的基站分簇、资源分配和发射功率控制算法。首先在用户使用相同发射功率的假设下提出了分布式基站分簇协议。然后，通过分簇，将系统中的用户总发射功率最小化问题转化为单个基站簇的用户总发射功率最小化问题，并提出多小区联合资源分配算法。最后，在保证用户服务质量（QoS，Qaulity of Service）的前提下，采用迭代的功率控制算法计算用户的最优发射功率。大量的仿真结果展示了本文中的算法相较于已有的经典算法具有更好的性能增益。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 SCMA网络研究现状及挑战

1.3本文的主要工作和内容安排

第二章 SCMA无线网络架构与资源管理概述

2.1蜂窝与终端直通融合网络概述

2.2密集网络概述

2.3无线资源管理概述

第三章 融合网络中基于干扰图的资源管控技术

3.1引言

3.2系统场景

3.3基于干扰图的资源分配

3.4迭代功率控制

3.5仿真结果

3.6本章总结

第四章 密集网络中基于分布式基站分簇的资源管控技术

4.1引言

4.2系统场景和问题建模

4.3分布式基站分簇协议

4.4多小区联合码本分配算法

4.5仿真结果

4.6总结

第五章 总结与展望

5.1全文内容总结

5.2后续研究工作展望

参考文献

致谢

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