同时同频全双工协同通信的能效研究

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目前全双工通信已经成为了5G应用场景中的关键技术,在全双工通信系统中,传输节点可以同一时间在同一频带上收发信号,显著地提高了系统的频效,并且为了提升通信的稳定性以及扩大蜂窝小区的覆盖面积,协同通信技术也开始广泛应用于现在各种各样的无线通信系统中。另一方面,随着能源的日益匮乏以及绿色通信概念的提出,学者们开始关注到能效的问题上来,现实生活中分布的各个类型的无线传感器和移动通信设备等都面临电池容量有限,使用寿命短,电池更换成本高的问题,因此,如何最大化全双工协同通信的能效对于通信系统的性能来说具有重要意义。针对以上现状,本论文研究了三节点的高斯协同通信信道的能效问题,其中包括了一个源节点,一个目的节点和一个中继节点。源节点在中继节点的协助下传输信号到目的节点,并且中继节点可以根据不同的信道条件采用半双工,全双工或者不工作(直接传输)模式。主要的贡献如下:首先,依次介绍了基于解码转发协议和放大转发协议的半双工和全双工协同通信信道的信道容量,并分析了不同模式下的能耗情况。特别地,我们考虑到了在全双工模式下中继节点的残余自干扰和消除自干扰所需的额外能量,并将这两者建模为关于中继发射功率的线性函数。然后,分别研究了上述两种协议的协同通信的能效优化问题,并且考虑到了频效和发射功率的约束。对于基于解码转发协议的协同通信信道的能效问题,在中继节点采用全双工和半双工模式时都被建模为max-min问题,通过max-min的经典解法求解了这两个max-min问题,并分别得到了最优的功率分配和相应的最大能效。对于基于放大转发协议的协同通信信道的能效问题,在中继节点采用全双工和半双工模式时都被建模为分式优化问题,通过分式规划方法求解了这两个分式优化问题,并分别得到了最优的功率分配和相应的最大能效。最后,在不同的信道条件下,对直接传输,半双工以及全双工模式三者的能效性能进行了比较,得到了关于能效的最优传输区域。并且,通过数值结果验证了我们的分析。本论文关于无线协同通信能效优化问题的研究成果,可以作为协同通信网络中功率分配和中继模式切换等方面的重要参考。
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