5G移动通信的若干关键技术研究

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近年来,随着移动用户数量的迅速增加以及新型无线多媒体服务的不断出现,可以实现频谱效率和数据速率提升的第五代(5th Generation,5G)移动通信技术已经成为当前的研究热点。传统的双工通信技术主要有时分双工(Time Division Duplex,TDD)模式和频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)模式两种。TDD是在同一频率上的不同时隙分别进行信号的发送和接收。而FDD则可以在同一时间上利用两个不同的频段进行信号的发送和接收。全双工(Full-duplex,FD)通信可以实现同时同频的信息传输,理论上使系统频谱效率倍增,因此其已成为5G移动通信的关键技术。传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术都是在时域、频域和码域三个无线资源维度上为单个移动用户分配单一的无线资源,不同用户的传输资源是相互正交的。作为5G移动通信的关键技术之一,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术允许多个用户在相同的时频资源上承载信息,不同用户的传输资源是非正交的,各用户的信息可以混叠在一起进行传输。因此NOMA技术可以进一步提高移动通信系统的频谱效率并增加系统的可服务移动用户数。同时,未来的5G网络需要支持巨大的数据连接量,仅依靠单一的组网架构很难满足各种场景的移动接入。毫微微小区(Femtocell)可以通过密集部署的方式提升5G网络的频谱效率,提高移动用户服务质量,有效降低宏基站负载。本文将主要围绕全双工通信技术、NOMA技术和Femtocell技术,进行提高5G移动通信系统容量和频谱效率的研究。本文主要工作概括如下:1.提出了无线全双工网络中两阶段竞争的全双工媒体接入控制(Two-Stage Contention Full-Duplex Medium Access Control,TF-MAC)协议。TF-MAC协议由请求发送/全双工允许发送/允许发送(Request to Send/Full-duplex Clear to Send/Clear to Send,RTS/FCTS/CTS)握手机制和全双工退避算法共同构成。RTS/FCTS/CTS握手机制可以实现利用短控制帧碰撞替代长数据帧碰撞,不仅支持两节点无线全双工双向链路、三节点无线全双工非对称链路和传统无线半双工链路,还解决了全双工通信中隐藏节点的问题。全双工退避算法可以降低数据传输的碰撞概率,并增加了全双工通信链路建立的机会。最后,通过采用级联的马尔科夫模型对所提出的TF-MAC协议进行分析,得到无线全双工网络归一化吞吐量闭式解。仿真结果验证了所提出的TF-MAC协议的有效性,采用TF-MAC协议的无线全双工网络性能有较大的提升。2.面向一种协作NOMA系统模型,首先分析了协作NOMA系统的频谱利用率,并构建了该协作NOMA系统的能量效率函数。接着给出了用户组队方案以降低协作NOMA系统的复杂度和信道状态信息(Channel State Information,CSI)交互量。最后,仿真分析了协作NOMA系统的性能。对于该协作NOMA系统,频谱利用率随移动用户数的增加而减小,能量效率随发射功率的增加先增加后减少。当电路消耗功率越大时,NOMA系统最大能量效率所对应的最优发射功率也越大。从而验证了该协作NOMA系统的优越性及用户组队方案的有效性。3.在采用正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技术的Femtocell网络中,为避免家庭用户对使用同一子载波的宏用户及其他家庭用户的过度干扰并实现系统频率资源的的合理利用,采用非合作博弈和演化博弈相结合的方式对系统进行建模,提出了一种基于双层博弈功率控制及子载波选择的联合分布式算法。该算法分为两层:第一层用非合作子博弈来进行家庭用户发送功率的控制,第二层用演化子博弈来进行家庭用户子载波的选择。通过采用该分布式算法,家庭用户交替进行发送功率的调整和子载波的选择,最终使系统达到双层博弈的纳什均衡。仿真结果验证了该双层博弈分布式算法可以使系统收敛至纳什均衡,实现了家庭用户最优发送功率的选择和系统子载波的均衡利用。4.在多源多中继协作网络中,为避免协助同一源节点的中继节点之间过度干扰并实现中继节点的效用最大化,提出了一种基于双层博弈的中继节点功率控制和源节点选择的联合分布式算法。该算法在双层博弈框架下通过中继节点功率控制的非合作子博弈和源节点选择的演化子博弈交替迭代,优化了中继节点的发送功率,抑制了中继节点间相互干扰,并实现了中继节点对源节点的合理选择。通过理论推导证明了双层博弈纳什均衡的唯一存在性。仿真结果表明所提出的双层博弈联合分布式算法可以实现多源多中继协作网络资源的合理分配。
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