● 摘要
通信业务需求的迅速增长导致无线通信系统的能量消耗急剧增加，未来通信系统必须兼顾频谱效率和能量效率这两个指标。正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)技术具有高频谱效率、强抗干扰能力和资源分配的高度灵活性，已经成为下一代移动通信系统的主要传输体制。本文从高频谱效率和高能量效率两个角度研究OFDMA系统的资源分配问题。 在面向高频谱效率的OFDMA系统优化中，本文研究了认知系统收发机优化和多小区分数频率复用(Fractional Frequency Reuse, FFR)中用于划分用户的门限优化这两个问题。 在非协作认知网络中，次系统不能与主系统实现理想频率同步。本文研究了当次系统发射机和主系统接收机间存在频偏时，考虑干扰功率约束和发射功率约束时、以最小化次系统的均方误差(Mean Square Error, MSE)为目标的线性收发联合优化问题。利用半正定规划方法得到了优化问题的最优解，并在一些特殊情况下分析了次系统收发机的显式解，从而揭示了主次系统间频偏对次系统收发机结构和性能的影响。理论分析结果表明，当存在频偏时，最优的次系统发射机需要进行联合预编码和功率分配，这与传统OFDM系统收发机间频偏对收发机的影响完全不同。仿真结果表明，所提出的最优线性收发机具有更强的抗频偏干扰能力。 在多小区OFDMA蜂窝网络中，小区中心用户和边缘用户的划分对FFR能否达到高频谱效率起到了至关重要的作用。本文分析了采用不同调度策略时采用FFR的系统的吞吐量，优化设计了划分用户的距离门限和信干噪比(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio, SINR)门限。理论分析表明，FFR方案的小区平均吞吐量均随着小区用户数的增加而增大，最优距离门限随着用户数的增加而减小，而最优SINR门限则随着用户数的增加而提高。仿真结果表明，采用最优门限后FFR方案的性能大大提高。 在面向高能量效率的OFDMA系统优化中，本文研究了综合考虑电路能耗和发射能耗时，单小区下行OFDMA系统中使能量效率最高的最优导频与数据功率分配。利用能量效率函数在低发射功率区域和高发射功率区域的不同函数性质，分别提出了交替优化和准凸优化的求解算法。理论分析和仿真结果表明，与谱效最优的设计相比，能效最优的设计能够以较小的频谱效率损失为代价获得很大的能量效率增益；另外，基站需要的总发射功率随着电路功耗的增加而增长，导频所占的功率比例随着电路功耗增加而减小。 为了提高系统的能量效率，本文研究了在发射端未知瞬时信道信息的情况下，下行单小区、多小区MIMO-OFDMA系统中高能效的空频资源配置问题，揭示了有、无干扰时空间和频率资源对系统能量效率的不同贡献，分析了用户的数据率公平性对系统能量效率的影响。针对单小区和多小区场景，分别提出了不同的迭代搜索算法求解在用户平均数据率需求约束下使下行能量效率最大的优化问题。理论和仿真分析表明，在单小区场景中，频率资源比空间资源更有利于提高能量效率；在多小区场景中，为中心用户配置较少的射频资源、边缘用户配置较多的空间资源更有利于节能。 由宏、微基站构成的异构网可以很好地解决大区域覆盖和热点地区高速传输的问题，本文研究了在OFDMA异构网中，满足用户数据率需求约束下的高能效协作多点(Coordinated Multi-Point, CoMP)传输预编码方法。通过分析所建模优化问题的KKT条件得到了最优CoMP预编码结构，提出了迭代搜索最优和具有显式解的次优CoMP预编码方法。仿真结果表明，所提出的最优和次优预编码在可达频谱效率和能量效率方面均优于在宏、微基站和功率约束下最优的信道伪逆预编码。宏、微基站间距的增加和电路功耗的降低都会使得次优预编码性能逐渐逼近最优预编码。