651 浏览毫米波通信网络中非正交多址接入技术研究
摘要：随着无线业务需求爆发式地增长,未来无线通信网络面临着超高传输速率、超高用户连接数、超高流量密度等诸多挑战。毫米波通信和功率域的非正交多址接入（NOMA）技术被认为是未来无线通信中最具应用前景的两种技术。相比于6 GHz以下通信,毫米波通信可利用其丰富的频谱资源提供更高的通信容量。功率域NOMA技术可在功率域上实现用户复用,从而增加用户连接数,提升系统频谱效率。本文针对毫米波通信网络中不同场景下NOMA系统的性能分析问题开展研究,主要涉及地面单小区毫米波NOMA通信、无人机辅助的毫米波NOMA通信,以及基站间协作的多小区毫米波NOMA通信。首先,在地面单小区场景下,提出了灵活波束毫米波NOMA机制。该机制具有灵活切换波束传输模式的能力,克服了固定波束NOMA机制受用户分布密度限制的缺陷,适用场景更加广泛。考虑到毫米波信号角度域的稀疏性,为促进NOMA传输,提出了联合距离和角度信息的用户配对策略。基站可基于用户配对结果,自适应地选择波束传输模式。基于随机几何工具,对灵活波束毫米波NOMA系统的中断性能进行理论分析,推导得出用户的中断概率、系统和速率的理论表达式。进一步,将灵活波束毫米波NOMA机制拓展到多射频链系统,并对该系统的中断性能进行分析。仿真结果表明了灵活波束毫米波NOMA机制的优越性。其次,对灵活波束毫米波NOMA系统进行优化设计。以最大化系统和速率为目标,优化波束传输模式切换节点和系统资源分配。首先在均匀分配资源的策略下,推导得出波束传输模式切换节点的渐近表达式。基于该渐近切换节点,进而优化系统资源分配。系统资源分配优化问题可分解为两个子问题,即分别在单波束和多波束传输模式下的资源分配问题。通过对子问题的求解,得到功率和天线资源分配的最优解。进一步,将灵活波束毫米波NOMA系统的优化设计推广到多用户场景。仿真结果证明了波束传输模式切换节点的有效性和系统资源分配最优解的正确性,验证了灵活波束NOMA机制相比于固定波束NOMA机制的优越性。再次,考虑到毫米波信号易受障碍物的影响,提出了无人机辅助下的毫米波NOMA机制。在Nakagami衰落信道下对无人机辅助的毫米波NOMA系统的中断性能和速率进行分析。综合考虑链路状态的随机性、波束定向传输的特性和用户译码次序动态变化等因素,基于随机几何理论,推导得出用户的中断概率和速率。仿真实验证明了理论分析的正确性,证实了在无人机辅助下的毫米波通信网络中NOMA机制的优越性,也表明了用户配对策略和无人机盘旋高度等系统参数对系统性能有着重要影响。最后,针对多小区毫米波NOMA通信场景中边缘用户受到的区间干扰严重、容易发生中断的问题,提出了基站间协作的多小区毫米波NOMA机制。协作基站间采用非相干联合传输技术服务边缘用户的同时,分别采用NOMA机制服务一近用户。基于随机几何工具,分析了基站间协作的多小区毫米波NOMA网络的性能,推导出中断概率、和速率以及能效的理论表达式。仿真结果证明了理论分析的正确性,证实了协作多点传输技术的应用对边缘用户性能的提升,验证了在基站间协作的多小区毫米波通信网络中NOMA机制的优越性。本文主要分析各场景下系统的中断性能和速率,仅在地面单小区场景下对灵活波束NOMA系统进行了优化设计。未来工作中将进一步研究无人机辅助的毫米波NOMA系统优化设计和基站间协作的多小区毫米波NOMA系统优化问题。
关键词：毫米波通信;非正交多址接入;
文章目录
摘要
ABSTRACT
缩略语表
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 毫米波通信技术简介
1.2.1 毫米波通信特性
1.2.2 毫米波通信系统建模
1.3 NOMA技术简介
1.3.1 NOMA技术基本原理
1.3.2 NOMA技术优势
1.4 毫米波NOMA技术
1.4.1 毫米波NOMA技术面临的问题和挑战
1.4.2 毫米波NOMA技术研究现状
1.4.3 主要性能指标
1.5 论文的主要贡献与内容组织
第二章 灵活波束毫米波NOMA技术研究
2.1 研究现状与研究动机
2.2 系统模型
2.2.1 网络拓扑
2.2.2 用户配对策略
2.2.3 信道模型
2.3 性能分析
2.3.1 覆盖概率
2.3.2 渐近分析
2.3.3 中断和速率
2.4 多射频链系统
2.5 仿真验证与结果分析
2.6 本章小结
第三章 灵活波束毫米波NOMA优化设计
3.1 研究现状与研究动机
3.2 系统模型
3.2.1 网络拓扑
3.2.2 信道模型
3.3 波束设计与渐近分析
3.3.1 波束赋形矢量设计
3.3.2 中断和速率渐近分析
3.4 系统和速率优化
3.4.1 单波束传输
3.4.2 多波束传输
3.5 多用户拓展
3.5.1 多用户场景下传输模式切换节点优化
3.5.2 多用户下和速率优化
3.6 仿真验证与结果分析
3.7 本章小结
第四章 无人机辅助的毫米波NOMA技术研究
4.1 研究现状与研究动机
4.2 系统模型
4.2.1 网络拓扑
4.2.2 信道模型
4.3 性能分析
4.3.1 前期数学准备
4.3.2 覆盖概率
4.3.3 中断和速率
4.3.4 遍历速率
4.4 仿真验证与结果分析
4.5 本章小结
第五章 基站间协作的多小区毫米波NOMA技术研究
5.1 研究现状与研究动机
5.2 系统模型
5.2.1 网络拓扑
5.2.2 信道模型
5.2.3 非相干联合传输技术
5.3 性能分析
5.3.1 前期数学准备
5.3.2 中断概率
5.3.3 能效
5.4 仿真验证与结果分析
5.5 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 工作总结
6.2 未来工作展望
参考文献
[1]面向5G的MUSA多用户共享接入[J]. 袁志锋,郁光辉,李卫敏. 电信网技术. 2015(05)
[2]面向5G的PDMA图样分割多址接入技术[J]. 康绍莉,戴晓明,任斌. 电信网技术. 2015(05)
