1、隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及移動用戶對高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的不斷提升，移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了由模擬系統(tǒng)到第4代移動通信系統(tǒng)的多次變革與演進(jìn)。LTE-Advanced系統(tǒng)作為準(zhǔn)4G系統(tǒng)—LTE的進(jìn)一步演進(jìn)，通過引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)(CoMP)傳輸、終端直通(D2D)通信等多種關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到提高系統(tǒng)頻譜效率、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力、降低小區(qū)基站負(fù)載的目標(biāo)。另一方面，LTE-Advanced系統(tǒng)中伴隨著多媒體業(yè)務(wù)的急劇增長和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)容，所產(chǎn)生的能源緊缺

2、和環(huán)境污染問題也愈加嚴(yán)重，在未來無線通信系統(tǒng)中，頻譜效率的提升不再是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，非可再生能源供給下的能量效率以及綠色能源供給下的網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)性，已成為新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　　然而由于移動通信系統(tǒng)中無線資源的稀缺性與無線信道的不穩(wěn)定性，如何對有限的資源進(jìn)行合理配置以滿足用戶的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)的各類性能指標(biāo)，是LTE-Advanced系統(tǒng)需要研究的核心問題。本論文對LTE-Advanced系統(tǒng)中的無線資源分配技術(shù)進(jìn)

3、行了深入的研究，針對CoMP網(wǎng)絡(luò)和D2D輔助通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，采用智能群體優(yōu)化、凸優(yōu)化、分?jǐn)?shù)規(guī)劃以及排隊(duì)論等技術(shù)手段，提出了關(guān)于能量資源、時(shí)頻資源和空域資源的優(yōu)化分配策略。本文將性能指標(biāo)的演進(jìn)作為貫穿全文的線索，按照由頻譜效率到能量效率再到能量供給可持續(xù)性的順序逐層展開，形成了以下幾個(gè)方面的研究內(nèi)容和創(chuàng)新:
　　1.針對CoMP JT網(wǎng)絡(luò)場景，分別從啟發(fā)式和最優(yōu)化兩個(gè)角度出發(fā)研究了基于容量最優(yōu)的頻譜資源分配策略。對于啟發(fā)式的頻譜資源

4、分配策略，首先提出了一種半動態(tài)協(xié)作集合選擇方法，解決了協(xié)作節(jié)點(diǎn)選取問題中性能與復(fù)雜度開銷之間的矛盾，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適用于協(xié)作集重疊的頻譜資源分配算法，該算法為中心用戶和邊緣用戶提供平等的機(jī)會去使用頻譜資源，在保證用戶公平性的同時(shí)提升了小區(qū)用戶的平均吞吐量。接下來從最優(yōu)化的角度出發(fā)，提出了基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化的頻譜資源分配策略，該策略重點(diǎn)分析了邊緣用戶性能與系統(tǒng)整體性能之間的關(guān)系，通過引入邊緣用戶權(quán)重因子控制目標(biāo)函數(shù)中邊緣用戶吞吐量所

5、占比例，構(gòu)建了CoMP JT下頻譜分配的有約束非線性0-1規(guī)劃模型，并根據(jù)問題模型對二進(jìn)制變量優(yōu)化、約束處理和加速收斂等方面進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步形成了適用于CoMP JT頻譜資源分配的二進(jìn)制約束型粒子群優(yōu)化算法，該算法通過調(diào)整權(quán)重因子的取值有效地均衡了邊緣用戶和系統(tǒng)整體的性能，在權(quán)重因子設(shè)置合理的情況下相比于現(xiàn)有方法對邊緣用戶吞吐量和系統(tǒng)整體吞吐量均有較大的提升。
　　2.針對蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于容量最優(yōu)的頻譜與功率分

6、配策略。該策略通過對D2D用戶復(fù)用蜂窩上行鏈路資源時(shí)的干擾場景進(jìn)行分析，以最大化系統(tǒng)總?cè)萘繛槟繕?biāo)對蜂窩用戶與D2D用戶的資源分配進(jìn)行全局統(tǒng)一建模，該模型不再限制使用相同頻譜資源的D2D用戶數(shù)以及D2D用戶可復(fù)用的資源數(shù)，從而提升了D2D資源復(fù)用的自由度。為了降低求解復(fù)雜度將容量優(yōu)化問題分解為兩個(gè)子問題，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了兩階段資源分配策略。首先基于增量貪婪的思想，提出了改進(jìn)的貪婪頻譜分配算法，算法中通過引入用戶交換和剔除操作避免分配結(jié)果陷入

7、局部最優(yōu);在頻譜分配結(jié)果確定后，采用拉格朗日對偶理論將功率優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的對偶域求解，并提出了基于兩層迭代的最優(yōu)功率分配算法。以上資源分配策略根據(jù)信道狀態(tài)信息動態(tài)調(diào)整蜂窩用戶與D2D設(shè)備所使用的RB以及在各RB上的傳輸功率，在保證蜂窩用戶性能的基礎(chǔ)上提升了D2D用戶的傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘俊?br>　　3.針對CoMP CS/CB下行多天線場景，分別提出了基于能量效率最大化和基于能量效率-頻譜效率折中的協(xié)調(diào)用戶調(diào)度、波束賦形和功率分

8、配策略。為了有效地度量網(wǎng)絡(luò)的能量效率，首先綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸、信號處理、回程鏈路損耗等各方面的能量消耗，對多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)的總功耗進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，進(jìn)而結(jié)合系統(tǒng)總?cè)萘糠治霁@得能效優(yōu)化目標(biāo)。基于該目標(biāo)針對第一類能效最大化問題構(gòu)建了關(guān)于波束賦形向量與用戶調(diào)度策略的分?jǐn)?shù)規(guī)劃模型，然后基于丁克爾巴赫定理將原問題轉(zhuǎn)化為含參量的非分?jǐn)?shù)形式等價(jià)問題并采用牛頓迭代算法對最優(yōu)能效進(jìn)行求解。對于牛頓迭代算法中內(nèi)嵌的子優(yōu)化問題，分別設(shè)計(jì)了基于一階最優(yōu)條件的迭代波束賦

9、形向量優(yōu)化算法和改進(jìn)的貪婪用戶調(diào)度算法。所提算法能夠快速收斂到能效最優(yōu)解，并且對系統(tǒng)能量效率有較大的提升。對于第二類基于能量效率-頻譜效率折中的無線資源優(yōu)化問題，通過引入最低速率約束使得每個(gè)用戶的傳輸質(zhì)量得到有效保證。在問題的求解過程中，首先綜合牛頓迭代算法和二分法的優(yōu)勢，采用基于改進(jìn)二分搜索的資源分配算法進(jìn)行能效尋優(yōu)，隨后進(jìn)一步提出了基于一階凸近似的子問題求解方法和基于比特加載的速率約束優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，所提算法通過調(diào)整最低速率

10、限制實(shí)現(xiàn)了用戶速率與能量效率的有效均衡。
　　4.針對可再生能源供給的CoMP網(wǎng)絡(luò)和蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)，分別設(shè)計(jì)了基于能量可持續(xù)性的無線資源分配策略。由于可再生能源的供給能力具有高動態(tài)時(shí)變特性，因此基站中儲能的變化過程是一個(gè)隨機(jī)過程，首先借助排隊(duì)理論，對能量變化過程的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，將該過程建模為G/G/1排隊(duì)模型，并進(jìn)一步推導(dǎo)出了關(guān)于能量可持續(xù)時(shí)長的條件概率密度函數(shù)和均值表達(dá)式。接下來對可再生能源供給CoMP網(wǎng)絡(luò)中的無線資源

11、分配問題進(jìn)行抽象建模，在建模過程中為了保證網(wǎng)絡(luò)整體的不間斷通信和各基站之間的公平性，將最大化最小能量可持續(xù)時(shí)長作為資源分配的優(yōu)化目標(biāo)，并綜合考慮了用戶的QoS需求。對于問題的求解，結(jié)合能量可持續(xù)時(shí)長的統(tǒng)計(jì)特性分析獲得了關(guān)于基站傳輸功率的兩個(gè)等價(jià)約束，并提出了一種低復(fù)雜度的半分布式迭代資源分配算法，該算法在保證用戶傳輸性能的基礎(chǔ)上提升了CoMP網(wǎng)絡(luò)整體的可持續(xù)性。最后研究了可再生能源供電下D2D通信網(wǎng)絡(luò)的功率分配問題，通過變量代換克服了原