密集蜂窩移動通信系統(tǒng)協(xié)作傳輸技術(shù)研究.pdf

1、移動通信業(yè)務(wù)量的迅猛增長和無線接入終端數(shù)目的大幅增加促進(jìn)了第五代(5G，5th Generation)移動通信系統(tǒng)的研究，巨大的數(shù)據(jù)傳輸量與能源消耗是亟待解決的問題。為了滿足用戶對通信網(wǎng)絡(luò)性能不斷增長的要求，由宏基站成的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饾u向在宏基站基礎(chǔ)上配備一系列低接入距離、低發(fā)射功率節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常被稱為超密集網(wǎng)絡(luò)(UDN，Ultra-Dense Network)，或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet,Heterogeneo

2、us Network)。本文從多小區(qū)協(xié)作的角度考慮密集網(wǎng)絡(luò)中的下行容量和能量效率的提高。多小區(qū)系統(tǒng)中基站和用戶擁有多根天線，可以通過線性預(yù)編碼和接收濾波器消除小區(qū)間干擾、提高容量。在小規(guī)模的通信系統(tǒng)中，信道信息(CSI，Channel State Information)數(shù)量適中，可以聯(lián)合優(yōu)化所有小區(qū)的預(yù)編碼向量和接收濾波器向量。然而在大規(guī)模的通信系統(tǒng)中，信道相干時間和獲取全部CSI所需的時間相比較小，因此需要將全部基站劃分為若干較小的

3、集合即協(xié)作簇。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的用戶連接方法會導(dǎo)致蜂窩網(wǎng)損耗增大、能量效率降低，因此適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的高效用戶連接也是一個值得關(guān)注的問題。針對密集蜂窩移動通信系統(tǒng)的協(xié)作傳輸，分布式算法因低復(fù)雜度和魯棒性而引起廣泛關(guān)注。本文主要研究密集蜂窩移動通信系統(tǒng)中的三個問題:基站分簇、協(xié)作預(yù)編碼和用戶連接。
　　首先論文介紹了無線信道的特性和大尺度衰落、小尺度衰落的統(tǒng)計模型，為本文的信道建模做準(zhǔn)備。并描述了MIMO技術(shù)的理論基礎(chǔ)，介紹了MIMO

4、信道模型和信道容量公式。還介紹了干擾對齊方法的定義和可行性條件，為后續(xù)的消除干擾做準(zhǔn)備。此外還介紹了幾種常用的預(yù)編碼方法和功率分配方法，作為本文相關(guān)算法的基礎(chǔ)。
　　接著論文研究了密集網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)基站分簇問題。基站分簇是指將全部基站分成若干不重疊的集合即協(xié)作簇，降低小區(qū)間協(xié)作的CSI開銷等通信開銷。根據(jù)是否通過共享全局CSI進(jìn)行分簇將算法分為集中式和分布式。該部分討論了兩種集中式分簇算法和一種分布式分簇算法。兩種集中式算法分別從最

5、大化簇內(nèi)干擾和最大化系統(tǒng)和速率的角度考慮，能夠充分利用全局信息進(jìn)行決策，尤其適合中等規(guī)模的通信系統(tǒng)。分布式算法引入博弈論的思想，基站作為博弈方，協(xié)作簇作為聯(lián)盟，博弈方根據(jù)偏好函數(shù)決定是否加入聯(lián)盟，該方法適合大規(guī)模的通信系統(tǒng)。
　　然后論文研究了密集網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作預(yù)編碼問題?；痉执睾螅珻SI只需在協(xié)作簇內(nèi)共享，協(xié)作簇內(nèi)基站協(xié)作，協(xié)作簇間基站有限協(xié)作。建立以最大化加權(quán)平均和速率為目標(biāo)的優(yōu)化問題，平均和速率是指對未知的簇外CSI取平均。

6、逐步將包含期望函數(shù)的非凸問題轉(zhuǎn)化為加權(quán)最小均方誤差凸問題，然后采用塊坐標(biāo)下降法求解，得到三個變量交替迭代的分布式算法。
　　最后論文研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的高效用戶連接問題。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的用戶連接方法用在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中會導(dǎo)致宏基站超載、負(fù)載失衡，使得蜂窩網(wǎng)的能量效率降低，因此需要考慮適合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的用戶連接算法。建立以最大化和速率為目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化用戶連接和資源分配的問題，逐步轉(zhuǎn)化為可解的凸問題。引入拉格朗日乘子將原問題解耦為兩個子問題，然后采