同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)譜效和能效優(yōu)化.pdf

1、隨著移動設(shè)備的迅速普及，日益增長的數(shù)據(jù)流量需求給無線通信系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了提高無線網(wǎng)絡(luò)的容量，同時(shí)同頻全雙工（in-band full-duplex）通信技術(shù)被提出來，并且越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。全雙工（FD）通信技術(shù)允許用戶在同一頻段內(nèi)同時(shí)發(fā)射和接收信號，因此有可能使通信鏈路的容量加倍。全雙工通信最大的挑戰(zhàn)是設(shè)備本身產(chǎn)生的自干擾（SI）。目前已經(jīng)有三類自干擾消除技術(shù)：傳輸路徑壓制、模擬域消除和數(shù)字域消除。聯(lián)合使用這三類

2、自干擾消除方法，可以將殘存自干擾（RSI）壓制到一個(gè)足夠低的強(qiáng)度。本文研究的是一個(gè)實(shí)際的全雙工通信系統(tǒng)：基站（BS）沒有空間的限制，可以配備復(fù)雜的自干擾消除硬件，從而擁有全雙工通信的能力；而用戶終端由于受自身尺寸和成本的限制，只能進(jìn)行傳統(tǒng)的半雙工（HD）通信。在這樣的系統(tǒng)中，一個(gè)上行用戶和一個(gè)下行用戶可以配對進(jìn)行全雙工通信。這種通信方式存在兩種類型的干擾：基站處的殘存自干擾和下行用戶處的同信道干擾。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究

3、了如何提升頻分全雙工網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量。為了盡可能地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，我們進(jìn)一步引入機(jī)會式干擾消除（OIC）技術(shù)來消除同信道干擾。最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量的問題可以建模為聯(lián)合功率控制、信道分配和用戶配對的問題。由于存在整數(shù)變量，該問題是一個(gè)NP-hard的問題。為了求解該問題，我們提出了一種低計(jì)算復(fù)雜度的啟發(fā)式算法。仿真結(jié)果表明：相對于半雙工網(wǎng)絡(luò)，該算法具有全雙工增益、多用戶分集增益以及OIC增益；并且全雙工通信的性能取決于殘存自干擾的強(qiáng)度。⑵研究了

4、時(shí)分全雙工網(wǎng)絡(luò)中的最大化吞吐量問題。該問題是一個(gè)非凸問題，無法獲得最優(yōu)解。我們提出了一種基于凹凸過程（CCCP）的次優(yōu)算法來求解該問題。為了進(jìn)一步降低計(jì)算復(fù)雜度，我們提出了一種不需要迭代的啟發(fā)式算法。仿真結(jié)果表明，與頻分全雙工網(wǎng)絡(luò)類似，應(yīng)用該方法的時(shí)分全雙工網(wǎng)絡(luò)具有全雙工增益和多用戶分集增益，并且全雙工通信的性能取決于殘存自干擾的強(qiáng)度。⑶研究了全雙工網(wǎng)絡(luò)的功率效率。在非完全信道狀態(tài)信息（CSI）的情況下，我們給出了全雙工用戶發(fā)射功率的可

5、行域，并且給出了最優(yōu)發(fā)射功率的數(shù)值解。在高信噪比情況下，我們進(jìn)一步推導(dǎo)了最優(yōu)發(fā)射功率的閉式解?；谶@個(gè)閉式解，我們提出了全雙工通信與半雙工通信功率效率的一個(gè)比較準(zhǔn)則。⑷研究了全雙工網(wǎng)絡(luò)中能量效率（EE）與頻譜效率（SE）的折中問題。由于自干擾消除技術(shù)尚未完全成熟，我們分別針對兩種殘存自干擾模型――固定殘存自干擾模型和線性殘存自干擾模型――進(jìn)行了研究。在這兩種殘存自干擾的假設(shè)下，我們比較了全雙工通信和半雙工通信的能量效率與頻譜效率折中的問

6、題，并分別提出了全雙工通信優(yōu)于半雙工通信的必要條件。針對固定殘存自干擾模型，在只研究一對用戶的情況下，我們證明了用戶的總發(fā)射功率是頻譜效率的嚴(yán)格凸函數(shù)。基于這個(gè)凸性，我們繼續(xù)證明了能量效率是頻譜效率的擬凹函數(shù)。隨后，我們繼續(xù)將能量效率與頻譜效率的擬凹性推廣到多個(gè)用戶的場景，并且提出了一種尋找全局最優(yōu)能量效率的算法。針對線性殘存自干擾模型，由于干擾情況更加復(fù)雜，無法求取最優(yōu)解，我們提出了一種啟發(fā)式算法。該算法通過將原問題分解為功率控制和用