協(xié)作中繼通信系統(tǒng)中的資源分配及物理層網(wǎng)絡編碼問題研究.pdf

1、在LTE-B(Long Term Evolution Rel.12)以及未來5G(5th Generation Mobile Networks)網(wǎng)絡中，如何擴展基站的覆蓋范圍對通信行業(yè)來說始終是一個研究熱點。協(xié)作中繼網(wǎng)絡可以有效擴大無線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，提高無線鏈路的通信質(zhì)量，被認為是5G移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。隨著微蜂窩甚至微微蜂窩在5G網(wǎng)絡中的部署應用，小區(qū)范圍不斷縮小，中繼節(jié)點發(fā)射功率小、部署靈活等特點使得其非常適合于5G網(wǎng)

2、絡。因此，在未來5G網(wǎng)絡中，協(xié)作中繼技術(shù)將會起到舉足輕重的作用。
　　當前協(xié)作中繼技術(shù)研究主要以系統(tǒng)容量最大化為優(yōu)化目標，而針對網(wǎng)絡能量效率來設計網(wǎng)絡架構(gòu)和資源分配算法的相關(guān)研究尚未深入。在考慮網(wǎng)絡整體能效最大化的同時，用戶可能要犧牲自己的利益，此時必須兼顧網(wǎng)絡性能和自私用戶的公平性，而多目標優(yōu)化和博弈論是解決自私用戶協(xié)作行為的有效工具。本文將在保障QoS（Quality of Service）的前提下，運用多目標優(yōu)化及博弈論等數(shù)

3、學方法，深入開展協(xié)作中繼網(wǎng)絡的資源分配算法及物理層網(wǎng)絡編碼(Physical Network Coding，PNC)問題的研究。
　　針對非對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡的功率分配問題，本文通過引入多目標進化算法，提出了一種多源多中繼網(wǎng)絡協(xié)作功率分配策略。首先，將單目標自由搜索算法拓展到多目標優(yōu)化領域，提出了多目標自由搜索算法(Multi-Objective Free Search，MOFS)，并通過性能分析及數(shù)值實驗驗證了該算法對多目標優(yōu)化問

4、題的有效性;其次，以最大化各源節(jié)點的有效接收信噪比為目標，設計了適用于多目標自由搜索算法的效用函數(shù)和編碼方案，在中繼功率受限的條件下，通過MOFS算法，實現(xiàn)了協(xié)作中繼功率資源的有效分配;最后，仿真實驗結(jié)果驗證了所提出策略的有效性。同時，該功率分配策略還可根據(jù)不同業(yè)務需求，通過合理選擇Pareto最優(yōu)解（Pareto Optimality），以得到不同的優(yōu)化配置方案，提高了網(wǎng)絡的適用性。
　　物理層網(wǎng)絡編碼理論的提出為協(xié)作中繼網(wǎng)絡進

5、一步提高傳輸容量提供了新的思路。本文針對雙向協(xié)作中繼信道場景，研究了基于Lattice編碼(Lattice Coding)的計算轉(zhuǎn)發(fā)(Compute and forward，CPF)物理層網(wǎng)絡編碼方案，以計算速率最大化為目標，提出了一種有效的雙向協(xié)作中繼信道計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索算法。針對雙向協(xié)作中繼信道中計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼工作方式的特點，將中繼節(jié)點的編碼系數(shù)向量優(yōu)化問題建模為帶有二次約束的整數(shù)二次規(guī)劃模型;針對該優(yōu)化問題的特點提出了一種提

6、升凸松弛割平面法，該搜索算法通過提升、凸松弛、生成割平面等步驟將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為較易求解的新松弛規(guī)劃問題，通過對松弛規(guī)劃問題的求解能有效獲取原問題的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明，本文所提出算法能有效獲取中繼節(jié)點的最優(yōu)編碼系數(shù)向量。
　　在雙向協(xié)作中繼信道計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案的基礎上，本文繼續(xù)深入研究了上行多址接入?yún)f(xié)作中繼信道(Multiple Access Relay Channel，MARC)的物理層網(wǎng)絡編碼方案，從多目標優(yōu)化的角度出發(fā)，提

7、出了一種MARC計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案的中繼節(jié)點選擇及系數(shù)向量搜索策略。在MOFS算法的基礎上對搜索策略進行了改進，提出了一種混合整數(shù)MOFS算法，并通過標準多目標旅行商問題(Multi-Objective Travelling Salesman Problem，MOTSP)驗證了該算法的有效性;針對中繼節(jié)點過剩的協(xié)作中繼網(wǎng)絡場景，通過對所有可能參與協(xié)作的中繼節(jié)點進行綜合考慮，從系統(tǒng)級的角度對網(wǎng)絡性能進行整體優(yōu)化，提出了一種基于混合整數(shù)MOF

8、S的中繼節(jié)點選擇及編碼系數(shù)向量搜索策略，在保障所選取的中繼節(jié)點系數(shù)向量矩陣滿秩的前提下，以最大化最小計算速率和最大化網(wǎng)絡和速率為優(yōu)化目標，尋優(yōu)結(jié)果同時實現(xiàn)了中繼節(jié)點的選擇及計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼最優(yōu)系數(shù)向量的搜索。仿真結(jié)果驗證了所提出算法的有效性。
　　關(guān)于協(xié)作中繼網(wǎng)絡資源分配的已有研究成果大多是針對非對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡。本文針對對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡的節(jié)點自私特性，提出了一種基于非協(xié)作博弈論的帶寬資源分配算法。以非協(xié)作博弈論為工具，建立了一種帶有