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考虑人体遮挡的多接入点毫米波-NOMA通信资源分配

期刊:ieee transactions on communicationsDOI:10.1109/tcomm.2020.3045788

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:

研究作者及机构

本研究的主要作者为Foad BarghikarForoogh S. TabatabaMehdi Naderi Soorki,分别来自伊朗伊斯法罕理工大学(Isfahan University of Technology)和伊朗阿瓦士沙希德·查姆兰大学(Shahid Chamran University of Ahvaz)。研究发表于IEEE Transactions on Communications期刊,2021年3月第69卷第3期。

学术背景

本研究的主要科学领域为毫米波通信(Millimeter-Wave Communications)非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)。随着5G及未来无线通信对高数据速率需求的不断增加,频谱资源短缺成为主要瓶颈。毫米波频段(30 GHz至300 GHz)提供了大量未使用的带宽资源,但其通信面临高路径损耗、对障碍物(如人体)的敏感性等挑战。此外,传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access, OMA)技术无法满足大规模连接和高频谱效率的需求。NOMA通过在功率域共享资源,能够显著提高频谱效率。然而,在多接入点(Multiple Access Points, APs)的毫米波网络中应用NOMA技术,涉及复杂的资源分配问题,尤其是在密集场景中。

本研究的目标是提出一种新的资源分配框架,优化毫米波-NOMA通信在密集场景中的性能,特别是在考虑人体遮挡的情况下。通过精确建模遮挡事件,提出低复杂度的解决方案,以最大化网络总速率。

研究流程

研究分为三个阶段,分别解决用户调度、天线分配和功率分配问题。

第一阶段:用户调度

首先,研究提出了一种改进的最差连接交换算法(Modified Worst Connection Swapping, MWCS),用于将用户分配到不同的毫米波接入点(mm-APs)并分组。该算法基于用户之间的信道相关性和信道增益差异,通过交换最差连接来优化用户调度策略。研究假设功率和天线分配是均匀的,并使用穷举搜索法验证了MWCS算法的有效性。结果表明,MWCS算法在平均13次迭代内达到了最优值的97.7%。

第二阶段:天线分配

在用户调度完成后,研究使用模拟退火算法(Simulated Annealing, SA)进行天线分配。该算法通过随机选择相邻解并基于接受概率决定是否移动到新解,逐步优化天线分配策略。模拟退火算法在全局最优解附近收敛,且计算复杂度远低于穷举搜索法。研究通过实验验证了该算法的有效性,表明其能够在低复杂度下实现接近最优的性能。

第三阶段:功率分配

在前两个阶段的基础上,研究提出了基于凸差规划(Difference of Convex Programming, DC)的功率分配方法。通过将非凸优化问题转化为凸差形式,研究采用DC算法求解功率分配问题,以最大化网络总速率并满足服务质量(Quality of Service, QoS)约束。实验结果表明,该方法在考虑遮挡效应的情况下,能够显著提高系统性能。

主要结果

  1. 用户调度:MWCS算法在低复杂度下实现了接近最优的用户调度策略,显著减少了计算时间。
  2. 天线分配:模拟退火算法在全局最优解附近收敛,且计算复杂度较低。
  3. 功率分配:基于DC规划的功率分配方法在考虑遮挡效应的情况下,显著提高了网络总速率。

研究通过大量仿真实验验证了所提框架的有效性。结果表明,在考虑遮挡效应的情况下,毫米波-NOMA系统的频谱效率比传统的毫米波-OMA系统平均高出23%。此外,所提解决方案的性能接近最优值,同时将计算复杂度降低了96%。

结论

本研究提出了一种适用于密集场景的多接入点毫米波-NOMA通信资源分配框架。通过精确建模人体遮挡事件,研究提出了一种低复杂度的三阶段解决方案,分别解决用户调度、天线分配和功率分配问题。实验结果表明,所提框架在考虑遮挡效应的情况下,显著提高了系统性能,且计算复杂度较低。该研究为未来毫米波-NOMA通信系统的实际部署提供了重要参考。

研究亮点

  1. 精确的遮挡建模:研究提出了一种三维密集场景下的人体遮挡模型,适用于多种实际场景,如礼堂、体育场和剧院。
  2. 低复杂度算法:研究提出的MWCS算法和模拟退火算法在低复杂度下实现了接近最优的性能。
  3. 显著的性能提升:在考虑遮挡效应的情况下,所提毫米波-NOMA系统的频谱效率比传统系统平均高出23%。

其他有价值的内容

研究还探讨了毫米波-NOMA系统中多接入点部署的权衡问题,指出在密集场景中,遮挡概率和接入点间干扰之间存在权衡。通过优化接入点数量,可以显著提高系统性能。此外,研究通过实验验证了所提框架在不同场景下的鲁棒性,为未来研究提供了重要方向。

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