非理想电路场景下中继协作传输方法研究

摘要

随着化石燃料能源消耗的激增，下一代绿色无线通信系统的设计从环保和经济的角度都迫在眉睫。通信系统中的非理想电路能量消耗是总能量消耗中不可忽视的一部分。因此，非理想电路场景下的绿色通信系统设计应当兼顾系统的能效和谱效。 另一方面，协作中继能够减轻衰落影响和扩大覆盖范围，从而实现分集增益和提升系统谱效，因此作为5G的重要场景之一受到广泛关注。非理想电路场景下的中继系统能效最大化问题已经被大量研究，然而如何在平均功率受限的情况下最大化中继系统谱效却面临许多理论难题：1）非理想电路场景下的平均功率约束是非凸的。2）协作中继传输速率表达式较为复杂，源节点和中继节点功率分配需要联合优化。3）缓冲中继应用场景进一步引入了非凸的中继节点信息因果约束。4）衰落信道下，非理想电路功率消耗对最优功率分配的影响更加复杂。 针对以上问题，本文研究了非理想电路场景下的多种中继信道下的最优传输方法。收发机的非理想电路在激活模式下消耗固定的功率，在睡眠模式下消耗的功率忽略不计。考虑传输时隙趋于无穷和平均功率受限的情况下，研究最大化系统吞吐率的功率分配问题。具体的研究内容与贡献如下： 首先，研究了非理想电路场景下的两跳中继高斯信道的最优传输方法。针对平均功率约束是非凸的问题，通过分析最大化系统吞吐率的必要条件，将其转化为拟凹问题进行求解。其最优功率分配是源节点和中继节点分别以常数功率值同时传输部分时隙，在剩余时隙里保持睡眠模式。该结论揭示了非理想电路场景下的两跳中继高斯信道的最优传输方法具有两个阶段：当系统平均功率限制较小时，以最大化两跳中继高斯信道能效的开关模式进行传输；当系统平均功率限制大于一个门限值后，进行平均功率限制下最大化系统谱效的连续传输。 然后，研究了非理想电路场景下的协作中继高斯信道的最优传输方法。针对协作中继源节点和中继节点功率分配需要联合优化的问题，首先分析了两种次优传输方法——直连链路传输（只通过直连链路进行传输）和中继辅助传输（源节点和中继节点同时进行传输）的功率分配，其结果显示源节点和中继节点分别以常数功率值同时传输部分时隙。在此基础上，给出了该信道下的最优传输方法，即单独进行直连链路传输或中继辅助传输，或者是进行直连链路传输和中继辅助传输的时分混合传输。 接着，研究了非理想电路场景下的协作缓冲中继高斯信道下的最优传输方法。针对缓冲中继节点信息因果约束是非凸的问题，通过分情况讨论中继节点是否有足够功率传输源节点发送的全部信息，分别求解出了信息因果限制下的源节点和中继节点最优功率分配。不同于两跳中继高斯信道和协作中继高斯信道的结论，协作缓冲中继高斯信道下的源节点和中继节点分别以不同的常数功率值传输不同的时隙数，在剩余时隙里保持睡眠模式。结合所得的最优功率分配，讨论了中继缓冲中存储的数据大小动态变化情况，并给出了使得所需缓冲大小最小化的最优传输时隙安排策略及对应的所需最小缓冲大小。 最后，研究了两跳中继衰落信道和两跳缓冲中继衰落信道的最优传输方法。对两跳中继衰落信道而言，通过检验优化问题的KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件，最优功率分配是一种变形的注水算法，最优功率值由源节点—中继节点和中继节点—目的节点两条链路的瞬时信道状态信息共同决定。该时隙是否进行传输则是通过两条链路的瞬时信道状态信息与一个门限值进行比较判定的。该门限值由两条链路的统计信道状态信息、非理想电路功率消耗、系统平均功率限制共同决定，因此可以通过离线计算得到。 对两跳缓冲中继衰落信道而言，通过将二元模式选择变量松弛为连续变量（随后证明其取值只能为0或者1）并检验其优化问题的KKT条件，最优功率分配是源节点和中继节点分别根据源节点—中继节点和中继节点—目的节点两条链路各自的瞬时信道状态信息决定。选择哪条链路进行传输或者是进入睡眠模式则是分别通过两条链路的瞬时信道状态信息与四个门限值进行比较判定的。这些门限值由源节点—中继节点和中继节点—目的节点两条链路的瞬时和统计信道状态信息、非理想电路功率消耗、系统平均功率限制共同决定。

目录

声明

缩略词表

数学符号表

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 研究历史与现状

1.3 本文的研究问题、主要贡献与创新

1.4 本文的结构安排

第二章 高斯信道与两跳中继高斯信道传输方法

2.1 高斯信道传输方法

2.2 两跳中继高斯信道传输方法

2.3 数值结果及分析

2.4 本章小结

第三章 协作中继高斯信道传输方法

3.1 系统模型

3.2 直连链路传输

3.3 中继辅助传输

3.4 协作中继最优功率分配

3.5 数值结果与分析

3.6 本章小结

第四章 协作缓冲中继高斯信道传输方法

4.1 系统模型

4.2 问题建模与初步结果

4.3 最优功率分配

4.4 最小缓冲大小分析

4.5 数值结果与分析

4.6 本章小结

第五章 两跳中继衰落信道与两跳缓冲中继衰落信道传输方法

5.1 两跳中继衰落信道传输方法

5.2 两跳缓冲中继衰落信道传输方法

5.3 数值结果与仿真分析

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的成果