无线供电的OFDM-NOMA系统容量优化研究

作     者：张婧茹 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许文俊

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：万物互联 NOMA OFDM 无线供电通信网络 用户公平性 

摘      要：近年来,无线移动通信技术发展迅速,用户终端的数量激增,万物互联时代即将到来。无线移动通信日渐成为生活中不可分割的一部分,用户对于通信网络的要求也随之不断提高。万物互联网络对其依托的能量和频谱两类基础性资源的需求愈发迫切,传统的能源供应方式亟需转变,频谱利用效率亟待提高。无线供电通信和非正交多址(NOMA)是未来移动通信中的两种关键技术。其中,无线供电通信网络(WPCN)能够有效解决传统电池无法在无线网络中连续供电的问题,NOMA技术能够有效应对大规模用户连接给频谱资源带来的挑战。另外,正交频分复用(OFDM)技术细粒度分配频谱的特性使得WPCN能够灵活地使用频谱。本文将OFDM与NOMA两种技术相结合,并与WPCN进行联合设计,分析和研究无线供电OFDM-NOMA系统中的资源分配问题,以提高系统的频谱利用率。首先,本文在子载波分配方案已知的情况下,通过联合优化时长与能量分配,对无线供电OFDM-NOMA系统中和容量进行优化研究。通过变量代换,将原问题转化为等价凹问题,进而提出了一种基于黄金分割搜索法、迭代注水法和投影次梯度法的联合时长-能量分配最优算法。仿真结果表明,在子载波分配已知的情况下,所提联合时长-能量分配最优算法能在大幅度降低计算复杂度的同时,实现较高的系统平均和容量。进一步地,本文将用户公平性作为重要指标,通过子载波、时长与能量的联合分配,研究无线供电OFDM-NOMA系统中兼顾用户公平性的和容量优化问题。考虑多维变量之间的耦合性,将问题分解为子载波分配子问题与联合上、下行链路时长-能量分配子问题。在前文提出的联合时长-能量分配最优算法基础上,研究用户公平性保障下基于匹配策略的子载波分配问题,以在系统容量和用户公平性之间取得最佳平衡。然后,基于交替迭代框架,设计了无线供电OFDM-NOMA系统中兼顾用户公平性的子载波、时长、能量分配算法。仿真结果验证了所提框架的收敛性;同时,与未考虑公平性的匹配方法进行对比,所提算法能够良好地兼顾用户公平性和系统容量,展示出所提算法的优越性和有效性;另外,与传统无线供电的OFDM系统对比,所考虑的无线供电OFDM-NOMA系统可以实现更高的系统平均和容量与用户公平性。