论文部分内容阅读
随着移动通信网络的蓬勃发展,移动数据流量以及智能终端设备呈现井喷式增长,导致无线通信系统的能耗成本不断上升,加剧生态环境恶化,绿色通信技术成为未来通信系统的重要研究方向。作为衡量通信系统能耗性能的重要指标,能量效率(Energy Efficiency,EE)受到广泛关注。非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术是一种充分利用多个资源维度的新型多址方案,已经成为5G中重要的候选技术之一。通过联合发端叠加编码技术和收端串行干扰消除技术,NOMA技术能够实现同一时频资源块的多用户复用,进而显著提升系统容量以及频谱利用率。随着接入用户数量的增多,蜂窝小区内终端密度增大,近距离通信场景不断增加,电路能耗逐渐接近甚至超过发送能耗,并且随着信道编码技术与数字调制技术的发展,电路能耗会随着传输速率的增加而增加。显然,在传统的远距离通信场景中忽略电路能耗的能耗建模方式难以满足未来通信系统能耗分析的实际情况。此外,仅考虑单一资源维度(如功率域)的能效优化方案在一定程度上是不完善的,综合考虑信道资源与功率资源这种跨资源维度的联合优化方案能够更有效地提升系统能效性能。因此,本文主要研究了在NOMA系统中,基于速率相关的电路能耗模型下满足一定服务质量的能量效率联合优化方案。本文主要贡献如下:1.针对多用户下行NOMA通信场景,考虑与传输速率相关的电路能耗模型,在该能耗模型的基础上,分别研究基于GPE(Goodbit-Per-Energy)和TBPUE(Transmitted Bits Per Unit Energy)两种能效准则下的高能效功率分配方案。首先,通过以系统能量效率最大为目标函数建立优化模型。接着,根据非线性分式规划理论、Dinkelbach’s算法以及凸优化方法,提出凸递增电路能耗模型下,满足用户最低速率保证的高能效最佳功率分配算法,并给出了线性电路能耗模型下最佳功率分配方案的闭式解。2.针对多载波下行NOMA通信场景,考虑与传输速率相关的电路能耗模型,在该能耗模型的基础上,基于利于降低信道估计复杂度的GPE能效准则,研究信道资源与功率资源的联合优化方案。首先,通过建立用户与子信道的双边匹配模型,以系统能效最佳作为优先原则,提出基于贪婪算法的低复杂度的信道资源分配方案;然后在信道资源分配方案的基础上,提出基于能效最佳的信道功率分配算法与用户间功率分配策略,同时给出了多载波下行NOMA系统中用户最佳功率分配方案的闭式解。大量的仿真结果验证了本文所提能量效率优化方案的正确性,并研究了系统总功率限制、通信距离以及频谱效率等因素对系统能效的影响,对实际通信系统设计有一定的指导意义。另外,相比于NOMA系统中传统功率分配方案(如固定功率分配方案、分式功率分配方案等),本文所提方案能够获得更高的能效性能。