基于终端协作的多播能量效率分析与低功耗资源分配方法研究

Although cooperative multicast schemes can improve system throughput, the energy consumption of cooperative terminals are increased seriously. Therefore, how to decrease the terminals' energy consumption is an important problem in cooperative multicast schemes design. In order to solve the problem, this project will carry out the following work: 1) set up the energy efficiency analysis model of cooperative multicast based on energy consumption and system throughput; 2) find the theoretical upper bound of energy efficiency gain; 3) design low-power resource allocation algorithms for cooperative multicast to approach the theoretical upper bound, including adaptive cooperative set selection methods, power allocation algorithms and so on. The theory results and novel resource allocation algorithms of the project will contribute to the cooperative terminals' energy efficiency design and accord with the development trend of green radio.

基于终端协作的多播传输技术在提高系统容量的同时也给终端能耗带来了严峻的考验，传统的多播协作方法会导致终端能耗的大幅增加，这对依靠电池供电的移动终端来说是不可接受的。因此，如何降低终端能耗是现有多播协作通信中亟需解决的一个重要问题。针对该问题，本项目将构建多播协作的能量效率分析模型，综合能耗与容量两类性能指标，寻找多播协作传输的能量效率增益的理论界值，为降低能耗的方法设计提供理论指导；在此基础上，针对多播传输特性，从无线资源管理的角度设计逼近能量效率增益上限的方法，包括基于用户分布预测模型的自适应协作集选择以及以能耗效率为优化目标的多维联合资源分配等，在提高多播传输的资源利用率及可靠性的同时，降低终端能耗。本项目的研究成果将为面向多播协作传输的终端低功耗设计提供基础理论和关键技术，满足未来移动通信终端对节约能量的核心需求。

基于终端协作的多播传输技术在提高系统容量的同时也给终端能耗带来了严峻的考验，如何在实现高效多播协作传输的前提下，尽可能地降低能耗是多播协作通信中亟需解决的重要问题。针对该问题，本课题重点对基于终端协作的多播能量效率进行分析，建立了基站发射功率、信号合并方式、终端密度等因素与系统总功率之间的关系，得到了系统能耗效率的理论上界。主要工作包括：.1）两阶段协作多播能耗分析.建立了高用户密度场景下的两阶段协作多播研究模型，并在该模型下研究了采用基于平均接收信号强度的选择分集（SCA）策略的两阶段协作多播系统最优性能。建立在高密度场景下的基站功率与所需要的中继个数之间的关系，给出了相应的最优中继选择策略。分析和仿真表明协作多播能够使得基站功率下降超过80%，系统总功耗下降40%以上，节能潜力巨大。.2）不同信号合并方式对于系统能耗的影响.在协作多播能耗分析模型的基础上，研究了采用CP 信号合并方式的协作多播能耗，并提出了两种次优的算法，分别为基站调整和中继调整算法来进一步降低系统能耗。仿真表明在CP 信号合并方式下，中继调整策略比基站调整策略有效，较SCA信号合并方式，系统能耗分别下降了9%和17%，系统能耗可以进一步下降到传统多播的50%。.3）用户密度对于协作多播系统能耗的影响.由于协作多播性能受到小区中用户密度的制约，本课题研究了密度因素对于协作多播能耗性能的影响。通过与传统方法的比较，发现只有当小区中的用户个数大于某个阈值，协作多播才能充分发挥其优势，否则其性能差于传统多播。即使在低密度场景下，选择所有成功用户充当中继也不是高能效的策略。在低密度场景下，应该尽可能的选择距离基站较远的成功用户充当中继。. 同时，在协作多播能量效率分析的基础上，通过设计自适应协作集选择方法、终端协作多播功率分配方法等，在保证多播传输的资源利用率及可靠性的同时，给出了降低系统能耗的参考方法。. 本课题共发表SCI/EI论文10篇，其中一篇文章获得了IEEE WCNC 2013的Best Paper奖项；提交专利申请5项；完成专著1本——《移动通信系统中广播多播技术与应用》；向我国IMT-Advanced推进组提交相关提案8篇。综上所述，本课题已超额完成了任务，研究成果将为面向多播协作传输的低功耗设计提供基础理论和关键技术。