网络辅助全双工系统的收发机设计及用户分配问题研究文献综述

 2023-08-10 16:11:11
  1. 文献综述(或调研报告):

近年来,随着移动互联网的快速发展,全球无线数据业务呈现爆炸式增长。高速上行(UL)和下行(DL)无线数据业务和时延敏感无线业务等多样化、个性化的移动业务,对下一代移动通信系统中的双工技术提出了更高的要求。

在第四代(4G)移动通信系统中,时分双工(TDD)和频分双工(FDD)等固定双工技术被采用。第五代(5G)新无线电(NR)已被明确规定需要支持可动态分配上行链路和下行链路资源的灵活双工,以提高资源的利用率[1]。最近,带内全双工引起了广泛的关注[2]。通过使用先进的自干扰消除技术,全双工无线收发器可以在同一频带内同时发射和接收,这被称为同频同时全双工(CCFD),其能使无线网络的频谱效率加倍[2],[3]。现在,已有大量工作对CCFD进行了研究。

1 全双工云无线接入网络(C-RAN)

文献[4]利用信息论的方法研究了带有CCFD远端天线单元(RAUs)的云无线接入网络(C-RAN)的性能,分析结果证实了C-RAN结构在带内全双工系统中具有巨大潜在优势。

现有工作对下行链路C-RANs的优化已经付出了相当大的努力。在[5]中,作者优化了下行链路发射功率,在最大功率的约束下最大化系统总速率和最小用户速率。其采用了简单的信道逆波束成形技术(channel inversion beamforming)进行数据传输,且不考虑前向回传容量。文献[6]、[7]分别研究了单跳和多跳前向回传网络中,为实现对下行C-RANs系统层面频谱效率的优化而进行的用户调度、波束形成和功率控制的联合优化。作者比较了C-RANs中两种截然不同的前向回传技术:数据共享策略和基于压缩的策略的性能。在数据共享策略下,BBU与RRHs共享用户消息,然后RRHs将消息编码成无线信号。相反,在基于压缩的策略下,波束成形信号在BBU中集中计算并通过前向回传链路发送到相应的RRH以进行无线传输。结果表明,基于压缩的策略在单跳前向回传网络中优于数据共享策略[6],而数据共享策略加上网络编码技术在多跳前程网络中是更好的选择[7]。然而,由于用户的信号在RRHs中被解码,在数据共享策略下难以执行联合信号处理。因此,当考虑上行链路性能时,基于压缩的策略是更具吸引力的技术。在[8]中,作者研究了多跳有限容量前向回传拓扑的上行链路C-RANS的跨层设计,以最大化系统和速率。在文献[9]中,作者推导了全双工C-RANs中两种不同RRH关联方案的平均和速率。在[10]中,作者提出了一种基于优化最小化的算法来最大化全双工C-RAN的和速率,同时满足每个RRH前向回传容量和功率的约束。

文献[11]-[15]研究了C-RANs的能效问题。在[11]中,考虑到下行C-RAN中用户对速率的需求和每个RRH的功率约束,作者联合优化了预编码矩阵和发送RRH的集合,以最小化NPC。为了保证NPC问题的可行性,文[11]还提出了一种用户选择算法。作者在文献[12]中进一步联合优化了RRH选择、用户-RRH关联和波束成形器,以最小化具有不完全信道状态信息(CSI)和前向回传容量约束的NPC。[13][14]中的工作研究了全双工C-RANs的能量效率。在下行和上行用户的QoS约束下,文[13]通过优化全双工RRH的波束成形器和上行用户的发射功率,使总功耗最小化。在文献[14]中,作者研究了可同时进行无线信息和功率传输(SWIPT)的全双工C-RAN的联合收发机设计,同时考虑了上下行QoS约束和能量捕获约束,提出了一种基于块坐标下降(BCD)的总功耗最小化方法。然而,文献[13]、[14]中没有考虑前向回传容量约束,作者也没有提出保证NPC问题可行性的方法。文献[15]研究了具有服务质量要求的全双工云无线接入网络(C-RANs)的网络功耗最小化(NPC)问题。作者共同优化波束形成矢量、用户发射功率、前向回传压缩比和射频拉远头组(RRHs),考虑了用户对信噪比的要求、每个射频拉远头和用户的功率约束以及前向回传容量约束。由于这些相互冲突的约束,优化问题可能无可行解,因此作者设计了一种方法分两步来解决这个问题。

然而,在具有众多RRH和用户的情况下,所有RRH和用户连接在一起的工作可能会导致计算复杂度较高。以用户为中心的全双工C-RAN对减少复杂性来说是一个有趣的扩展方向。作为以用户为中心的场景中的关键问题之一,NPC最小化和RRH用户配对仍然是一个悬而未决的问题。

2带内全双工多点协作传输(CoMPflex)

文献[16]考虑通过使用两个空间分离且相互协作的半双工(HD)基站来仿真全双工(FD)蜂窝基站(BS),这种系统被称为带内全双工多点协作传输(CoMPflex),在给定的时刻,它分别服务于两个HD移动台(MSs),一个在上行链路,一个在下行链路。作者使用简化的一维Wyner模型的几何扩展来评估方案的性能,该扩展考虑了设备之间的距离。普通FD是CoMPflex的一个特例,其中HD-BSs在距离0处。结果表明,相对于普通FD和基于单向业务的基线方案,CoMPflex在和速率和能量效率方面都有提高。作者提出了CoMPflex带来的四个优点:(1)路径相关联的天线之间的耦合损耗减小;(2)来自下行链路传输的自干扰与上行链路信号在同一数量级内,减少了对高动态范围接收器的需求;(3)减少蜂窝设备与HD-BS之间的距离,从而在设备和网络两方面都带来潜在的能量节省,(4)HD-BSs上分离的发射机和接收机可以使基础设施更接近MSs,从而带来速率的增益和干扰的减少。

这项最初的研究使用了一个简单的模型,其获得的成果和见解需要更进一步的分析,这需要依赖于更复杂的模型,例如基于随机几何的模型等。

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