无线异构网的高效自适应资源分配与优化

摘要

未来高容量和强覆盖性的通信网络中，由宏基站、中继站和微微基站等低功率站点构成的异构网受到了广泛关注。过去的十几年，大部分的研究都是通过设计不同的网络架构来改善小区的频谱效率进而提高小区的网络吞吐率。但为了满足用户日益增长的数据需求和无处不在的接入需求，急需对网络基础设施进行快速的扩张，由此引入了巨大的能量消耗，随着引入低功率站点，网络的能耗单元也相应地增加，所以无线异构网的能效问题变得更为关键。如何在保障用户服务质量(QoS)的情况下，保证系统拥有高能效，也是现今通信技术发展的趋势。本文以下行链路的无线资源分配为基本研究对象，结合时域、频域、功率域等方面的技术，以高的频谱效率或高能效为目标，对异构网中，中继网络和宏-微微网络的路径选择、资源调度及分配、干扰协调等算法进行优化设计。
　　首先，提出一种解码转发(DF)中继系统中联合部分频率复用和自适应调制技术（AMC）的载波分配方案。该方案采用了全双工、双天线的DF中继模式来提高时隙资源利用率，利用AMC技术对干扰容忍的特性，动态复用基站(BS)和中继站(RS)所使用的频率来提高频谱利用率，从而获得高能效的传输速率。这种联合部分频率复用方法和全复用中继模式的方案比起单天线半双工中继模式，能提升较大的系统吞吐率。
　　其次，基于离散调制水平集合，提出了非再生中继多用户网络的中继选择和载波、比特分配的联合优化方案。该方案在用户速率限制的条件下，通过使发送功率最小来达到提升能效的目的。首先，基于初始问题的目标，提出了一个基于放大转发(AF)中继系统的低复杂度的中继选择方案。然后根据中继选择所得结果，将中继用户的两跳链路虚拟成直传链路，由此将中继小区问题转换成传统的蜂窝小区问题，进行载波、比特的分配。最后，考虑中继最大功率的限制，对超负荷的中继进行适当的调整。通过分析结果可知，本文所提次优方案，在降低了初始问题算法复杂度的同时，所得的结果接近最优方案。而且，本文所提中继选择方案较传统的中继选择方案，降低了系统的功耗。
　　再次，基于离散调制水平集合和机会网络编码，提出了再生中继网络中一种中继选择和载波、比特分配的联合优化方案。该方案根据信道状态，机会地引入网络编码从而提高频谱利用率，在用户速率限制的条件下，通过使每帧的发送功率最小来达到提升能效的目的。该方案将中继选择和载波、比特分配进行分步求解，得到一个次优解。其中，利用本文所提中继选择方案，会使更多的用户选择中继，这为网络编码提供了更多的机会。而所提的机会网络编码分配方案根据信道状态机会地进行网络编码，所以比固定网络编码分配方案和无网络编码方案大大节约了系统的功耗。
　　然后，基于DF中继和AF中继的正交频分多路复用(OFDM)频率选择性链路，分别提出了最优能效的功率分配方案。这两个方案在证明了最优解存在且唯一的情况下，考虑了电路所耗功率的影响。其中，DF中继链路的功率方案利用DF中继解码转发的特性，将两跳链路分离进行求解，通过比较选取最好的分配方式，该方法可求出最大化能效的最优功率解，是DF中继链路能效上界;而AF中继链路的功率分配方案包含两个步骤，先根据信道进行载波分配，并根据载波配对的结果，将AF中继链路虚拟成一跳频选链路，然后利用一跳频选链路的方法进行功率分配，该AF中继链路能效自适应优化方法可获得逼近最优解的次优解。此外，DF中继和AF中继的链路方案都考虑了速率和功率限制下的功率分配方法，并分析了其对能效的影响。
　　接下来，在总功率和用户速率均有限制的要求下，提出了用户非均匀分布的AF中继小区下行链路中继选择和功率分配联合优化方案。利用AF中继链路的虚拟增益，将中继问题转换为单跳小区问题，并用注水算法求得次优的功率分配。该算法可较好地逼近最优解，得到总能效的下边界。此外，由于电路功耗在系统总能耗中占有较大比例，为了进一步节约能耗，从而提高能效，该方案引入了中继和基站的休眠模式，根据用户分布情况关闭负载较低的站点，从而以较小的容量损失，获得更高的能效。
　　最后，在由宏小区和微微小区组成的同频异构网中，提出了一种时域资源分配与低功率-几乎空白子帧(ABS)功率分配的联合优化方案。该方案通过动态协调宏小区之间、微小区之间和隶属不同小区的宏微小区之间的干扰，解决了用户的小区选择问题、资源分配问题，以及低功率ABS的功率分配问题。研究结果显示，动态ABS功率与时域资源联合分配方案相比静态低功率ABS功率分配和无功率ABS方案，大大提升了整个系统的性能。

目录

声明

摘要

图表索引

符号和缩略词

第一章 绪论

1．1 无线异构网概述

1．1．1 无线异构网技术背景

1．1．2 无线异构网的组成

1．2 中继网络概述

1．3 高能效通信需求

1．4 论文研究意义和国内外研究现状

1．4．1 论文研究意义

1．4．2 国内外研究现状

1．5 本文研究思路、主要贡献及内容组织

第二章 无线中继网络中基于功率限制的高效资源分配方案

2．1 方案相关技术基础

2．1．1 自适应调制编码技术

2．1．2 部分频率复用技术

2．2 中继网络中基于部分频率复用和自适应调制编码技术的载波分配方案

2．2．1 系统模型和参数定义

2．2．2 基于频效的传输模式选择

2．2．3 载波分配

2．2．4 算法仿真和性能分析

2．3 本章小结

第三章 无线中继网络中基于速率限制的高效资源分配方案

3．1 离散调制情况下的资源分配研究现状

3．2 离散调制情况下的AF中继系统的资源分配方案

3．2．1 系统模型和问题建模

3．2．2 次优求解方法

3．2．3 基于RS功率约束的载波调整

3．2．4 性能分析

3．3 离散调制情况下联合机会网络编码的DF中继系统的动态资源分配方案

3．3．1 网络编码原理及研究现状

3．3．2 网络体系结构及信道模型

3．3．3 网络编码系统的问题建模

3．3．4 次优的联合优化方法

3．3．5 仿真及性能分析

3．4 本章小结

第四章 无线中继网络的高能效资源分配方案

4．1 基于能效的DF中继OFDM链路自适应功率分配方案研究

4．1．1 系统模型和问题建模

4．1．2 基于能效的功率分配

4．1．3 有限制条件的情形

4．1．4 仿真验证和性能分析

4．2 基于能效的AF中继OFDM链路自适应功率分配方案研究

4．2．1 系统模型和问题建模

4．2．2 基于能效的次优功率分配方法

4．2．3 有限制条件的情形

4．2．4 算法复杂度分析

4．2．5 仿真与性能分析

4．3 多用户AF中继系统下行链路的高能效功率分配算法研究

4．3．1 系统模型和问题建模

4．3．2 基于能效的联合中继选择和功率分配方案(EJS)

4．3．3 结合小区呼吸机制的能效联合优化方案

4．3．4 仿真与性能分析

4．4 本章小结

第五章 无线异构网干扰协调问题研究

5．1 无线异构网的干扰协调技术

5．1．1 无线异构网干扰产生的原因

5．1．2 异构网小区间干扰协调方案分类及研究现状

5．2 异构网中联合ABS功率和资源分配的时域干扰协调方案

5．2．1 系统模型和问题建模

5．2．2 联合ABS功率的资源分配方法

5．2．3 仿真和性能分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文工作总结

6．2 今后工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间录用、完成的论文及科研成果

攻读博士学位期间参加的科研项目