非对称双向中继系统中的高能效传输策略研究

摘要

随着移动互联网、物联网的逐渐兴起，爆炸式增长的移动数据流量和海量的设备连接致使能耗成本不断上升、生态环境日益恶化，绿色通信技术由此而备受关注。作为衡量通信系统能耗的绿色指标，能量效率成为了当今的研究热点。
　　中继技术在IMT-2020移动网络架构演进中起着至关重要的作用。与传统中继技术相比，采用放大转发（AmplifyandForward，AF）技术的双向中继（TwoWayRelayChannel，TWRC）具有高谱效、易实现等特点。随着终端密度增大、间距减小，电路能耗不断接近甚至超过发送能耗，而且会随着传输速率的增加而增加。显然在传统短距离传输场景中仅考虑发送能耗的能耗建模是不合理的。因此在考虑传输速率相关的电路能耗模型下，如何在满足一定非对称服务质量（QualityofService，QoS）的AF-TWRC系统中提高能效是一个亟待解决的问题。
　　针对这个问题，本文主要研究在非对称TWRC系统中，基于不同信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）、不同能耗和能效模型下的高能效传输策略设计。主要贡献如下：
　　（1）针对统计CSI的AF-TWRC系统，建立了与传输速率相关的电路能耗模型，并在满足总发送功率和非对称QoS需求下进行最佳能效设计。首先，当电路能耗建模为传输速率凸递增函数时，基于统计CSI提出了能效GPE（Goodbit-Per-Energy）的最大化目标问题；然后采用分式规划、凸优化理论进行全面的数学分析，得到最佳能效下的发送功率分配算法。为更好地指导实际通信系统设计，给出了当电路能耗计算函数为传输速率线性函数时最佳能效下的发送功率分配闭式解。
　　（2）针对瞬时CSI的AF-TWRC系统，建立了与传输速率相关的电路能耗模型，并在满足总发送功率和非对称QoS需求下进行最佳能效设计。首先，当电路能耗建模为传输速率凸递增函数时，基于瞬时CSI提出了能效TBPUE（TransmittedBitsPerUnitEnergy）最大化目标问题；然后采用双层优化方法、分式规划、凸优化理论进行全面的数学分析，得到最佳能效下的发送功率分配算法。为更好地指导实际通信系统设计，给出了当电路能耗计算函数为传输速率线性函数时最佳能效下的发送功率分配闭式解。
　　全面的仿真分析检验了最佳能效设计下发送功率分配算法和方案的正确性与有效性，并研究了中继位置、发送功率约束、非对称速率需求等参数对系统能效的影响，另外，较等功率分配方案、传统忽略电路能耗的最佳功率分配方案，本文中提出的最佳发送功率分配方案能效更高。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文结构和贡献

第二章 背景知识

2.1双向中继信道简介

2.2能耗和能效模型简介

2.3优化算法简介

2.4本章小结

第三章 基于统计CSI的高能效双向中继传输策略设计

3.1系统模型

3.2问题描述

3.3最佳能效分析

3.4仿真结果及分析

3.5本章小结

第四章 基于瞬时CSI的高能效双向中继传输策略设计

4.1系统模型

4.2问题描述

4.3最佳能效分析

4.4仿真结果及分析

4.5本章小结

第五章 结束语

5.1工作总结

5.2工作展望

参考文献

致谢

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