基于能效的网络体系结构及资源分配方法研究

The traditional way to allocate system resources is according to the business peak capacity demand in the current wireless communications. This causes the waste of spectrum resources and energy consumption. Therefore, we focus on new wireless network architecture and resource allocation algorithm based on energy efficiency for single-cell multi-user and multi-cell multi-user scenarios. The resource allocation algorithm in the cooperation relay network with the cooperation game theory is presented. By introducing energy per unit and energy equilibrium rate, the various kinds of factors such as network energy equilibrium, network coverage and so on are integratedly considered. The optimization problem of distributed antenna system (DAS) energy efficiency is researched. Considering user minimum rate request, maximum power constraint and actual power model, energy efficiency optimization utility function and effective optimization algorithm are proposed. The base station sleep mechanism is explored. The network model is established according to the transmit power of base station and the rate of users. The low complexity algorithm that how the users in sleep cells access the active cells is presented. The low complexity adaptive dynamic cluster cooperation mechanism in CoMP is established. The tradeoff model between the cluster type and energy efficiency is researched. The rationality of the proposed algorithm is proved through the in-depth theoretical analysis and computer simulation results. A relatively complete green communications theory and technology system are formed, which can provide a theoretical basis and technical support for green communications after 4G.

针对单小区多用户和多小区多用户场景，研究基于能效的网络体系结构及资源分配方法，以解决当前无线通信中按业务峰值容量需求配置系统资源的传统方式给频谱资源、能耗造成极大浪费的难题。运用协作博弈论，提出基于能效的协作中继网络资源分配算法，通过引入单位能量、能量均衡率等参数，将网络能耗均衡、网络覆盖率等因素进行综合考虑；研究分布式天线系统的能效优化问题，综合考虑用户最小速率请求、发送天线最大功率约束等条件，结合实际功率模型，建立能效优化效用函数，提出行之有效的优化问题解决方案；探索基站休眠机制，根据基站发送功率、用户速率等建立网络模型，提出休眠小区用户接入周围活跃小区的低复杂度算法；对于多小区协作技术中动态簇对系统能效的影响开展深入研究，建立基于能效的低复杂度自适应动态簇协作机制。通过深入的理论分析和计算机仿真验证上述方法的合理性，形成较为完整的绿色通信理论与技术体系，为4G之后的绿色通信系统提供理论基础和技术支撑。

随着无线通信业务的快速增长，无线网络的能量消耗正在以惊人的速度增长，绿色通信引起了人们的广泛关注。无论是从环境保护还是经济发展的角度来考虑，提高能量效率已经成为未来移动蜂窝网络越来越重要的课题。本自然基金项目在单小区多用户和多小区多用户场景下，研究了基于能量效率的网络体系结构及资源分配方法，以期解决在当前无线通信系统中，按业务峰值容量需求配置系统资源给频谱资源、能源消耗造成极大浪费的难题。为实现该目标，本项目主要从以下四个方面进行了相关研究：. 1. 在单小区协作中继网络中，提出了一种基于非协作博弈论的带宽资源分配算法。以非协作博弈论为工具，建立了一种带有竞价机制的对称协作中继网络博弈模型，通过建立有效的激励机制，使得自私节点能通过协作资源的共享而获得公平的回报，从而积极参与协作传输；引入分布式纳什均衡搜索算法，通过理论推导给出了该分布式算法的收敛条件。仿真结果表明，本项目所提出的博弈方法，可以合理有效地解决对称协作中继网络的协作带宽分配问题。. 2. 在单小区分布式天线系统中，研究了不同的远端天线单元选择协作策略对系统性能的影响。结合远端天线单元到用户的信道状态信息的分布规律，利用概率论的知识，从理论上推导了各种协作传输方式下用户的信噪比的分布规律和系统遍历容量的分布，并给出了闭式的表达式。通过引入详细的分布式天线系统功率消耗模型，进一步研究了系统的能量效率问题，给出了能量效率的表达式，并推导了频谱效率与能量效率的折中关系，为未来的网络优化设计提供了科学的指导。. 3. 在多小区场景下，开展多小区协作网络基站调度算法研究。基于基站休眠策略，在满足用户服务质量的前提下，建模成一个能量消耗最小化的问题，提出了一种基于基站休眠的移动用户轮询接入基站算法。仿真结果表明，该算法能够显著地降低系统的能量消耗，并且具有较低的计算复杂度。. 4. 多小区协作网络中，提出了一种新颖的下行链路多基站协作动态成簇算法，并研究了系统的能量效率。首先，在每个符号等功率分配和每个天线等功率约束的条件下，分别推导了在完美的发送功率和实际发送功率条件下系统的频谱效率和能量效率。其次，提出了一种基于信道范数的低复杂度动态成簇算法。仿真结果表明，所提算法的能量效率要好于静态成簇算法的能量效率，稍微差于去中心化算法的能量效率，但比去中心算法的复杂度低。