智能超表面辅助的蜂窝网络多域资源优化技术研究

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随着无线移动业务需求的迅猛增长,现有蜂窝移动网络在通信容量、覆盖能力、能量效率等方面面临巨大挑战。前五代移动通信网络设计均将无线传播环境视为固定不变,通过算法改进、硬件升级以及通信资源增加来提升网络性能,但都难以完全解决未来移动通信网络的前述技术挑战。近年来,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)的出现使得无线传播环境可以被智能重构。RIS由大量的低成本无源反射单元组成,每个反射单元都可以调节入射电磁波的相位和幅度。因此,通过设计RIS的被动式波束赋形,可以实现覆盖范围增大、有用信号增强以及有害干扰抑制等多重目的。本文针对RIS分别部署在地面和空中平台的两种场景,对RIS辅助的蜂窝网络多域资源优化技术进行了深入研究。部署在地面上的RIS称为地面智能超表面(Terrestrial Reconfigurable Intelligent Surface,TRIS)。针对该场景,本文研究了TRIS辅助的蜂窝设备到设备(Deviceto-Device,D2D)通信网络中多域资源优化分配问题。本文通过联合优化用户配对方案、用户发送功率以及基站和RIS的主被动式波束赋形,实现了网络频谱效率和能量效率最大化的目标。首先,针对网络中的频率复用问题,本文提出一种基于相对信道强度的用户配对方案,该方案与基于穷尽搜索的理想配对方案相比性能略有下降,但计算复杂度大大降低。其次,本文综合利用拉格朗日对偶变换、二次变换、Dinkelbach等算法迭代优化其余变量,并分析求解算法的收敛性与复杂度。此外,本文探明RIS功耗与反射单元个数和量化比特数的定量关系,建立了RIS实际功耗模型。仿真结果表明,相较于传统D2D通信网络,本文所提TRIS辅助D2D通信网络在频谱效率和能量效率性能上都得到了显著提升。部署在空中平台的RIS称为空中智能超表面(Aerial Reconfigurable Intelligent Surface,ARIS)。针对该场景,本文研究了ARIS辅助的蜂窝通信网络中多域资源优化分配问题。ARIS在飞行过程中,辅助基站与用户以动态时分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)方式进行连续通信。本文基于幅度和相位耦合的RIS实际反射系数模型,联合优化无人机轨迹、用户接入指示因子以及基站和RIS的主被动式波束赋形,实现了网络能量效率最大化的目标。由于在RIS实际反射系数模型中,反射单元的幅度和相位之间存在复杂的非线性关系,本文首先通过分析确定最优相位所处区间,进而提出基于二次曲线拟合的信赖域方法,得到了相位最优值。其次,本文综合利用分支定界、最大比发送、Dinkelbach等算法交替优化其余变量,并分析求解算法的收敛性与复杂度。仿真结果表明,相较于仅悬停时通信的基准方法,本文所提动态TDMA连续通信方法可显著提升网络的能量效率。
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