OFDM協(xié)作中繼網(wǎng)絡射頻資源優(yōu)化機制研究.pdf

1、正交頻分復用（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡因其在提升網(wǎng)絡容量域、增強端到端鏈路傳輸可靠性、擴大無線覆蓋范圍等方面的巨大優(yōu)勢以及在設計和部署上的靈活性，已受到學術界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。在這種網(wǎng)絡中，協(xié)作策略和射頻資源分配是保證或提升其性能的兩大關鍵研究點。另一方面，隨著類型多樣的高速高帶寬新興無線應用呈井噴式增長，無線頻譜資源供給與用戶服務需求之間的矛盾愈發(fā)

2、加劇。再者，無線通信的能量消耗也逐漸變得不可忽略，構建綠色網(wǎng)絡的需求也變得日益緊迫。因此，如何提升無線網(wǎng)絡的頻譜效率、能量效率以及對各類應用服務的良好支持能力，將成為增強無線通信網(wǎng)絡性能并緩解持續(xù)增長的無線應用需求壓力的關鍵問題之一。鑒于此，本論文重點從頻譜效率、能量效率和業(yè)務服務質量增強三個角度對OFDM無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡射頻資源優(yōu)化相關理論與關鍵技術展開研究，以期獲取高能譜效率和業(yè)務支持增強的射頻資源優(yōu)化分配方案，并為未來研究和部署以

3、資源優(yōu)化為核心的應用系統(tǒng)提供前期理論參考，從而為解決以上關鍵問題做出有益貢獻。本文開展的主要研究工作如下：
　?。?）綜述分析并總結了無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡相關研究工作。針對協(xié)作中繼策略和射頻資源優(yōu)化分配兩大關鍵研究點，以OFDM無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡為重點，從協(xié)作策略、有專用中繼節(jié)點輔助的單向協(xié)作中繼網(wǎng)絡資源分配、有專用中繼節(jié)點輔助的雙向協(xié)作中繼網(wǎng)絡資源分配、基于用戶協(xié)作的中繼網(wǎng)絡資源分配以及系統(tǒng)設計幾大方面，分類綜述分析了與無線協(xié)作中繼網(wǎng)

4、絡相關的國內外研究成果，并從網(wǎng)絡場景因素和總體設計因素角度，分別比較與分析了已有典型方案的特點。在此基礎上，對當前研究所存在的問題給出了幾點總結和建議，并指出了網(wǎng)絡編碼、非完美信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）和多目標優(yōu)化設計在獲取實用化高能譜效率射頻資源優(yōu)化方案上的重要性。
　?。?）研究了單向多用戶多中繼OFDM網(wǎng)絡異質業(yè)務增強及頻譜效率優(yōu)化問題。以單向多用戶多中繼OFDM系統(tǒng)為目標網(wǎng)絡

5、對象，綜合考慮了實時業(yè)務流的最小速率需求、基于子載波配對的子載波分配、子載波級功率分配、子載波級中繼-用戶對選擇等因素，以最大化非實時業(yè)務總傳輸速率為優(yōu)化目標，研究了融入子載波配對技術的自適應射頻資源分配方案，以期增強異質業(yè)務服務支持并優(yōu)化頻譜效率。針對總網(wǎng)絡功率約束和獨立節(jié)點功率約束兩種網(wǎng)絡配置場景，分別開發(fā)了相應的漸近最優(yōu)資源分配算法，以期為不同的場景提供參考方案。仿真評估結果驗證了所提算法在保證實時業(yè)務速率需求和系統(tǒng)頻譜效率上的有

6、效性，以及在依據(jù)流量需求和信道狀態(tài)變化自適應調整射頻資源分配方面的靈活性。
　?。?）研究了融合動態(tài)網(wǎng)絡編碼的雙向多中繼OFDM網(wǎng)絡頻譜效率優(yōu)化問題。針對基本的雙向多中繼OFDM系統(tǒng)，分析了網(wǎng)絡編碼在提升頻譜效率和能量效
　　率方面的優(yōu)勢，并對比分析了靜態(tài)網(wǎng)絡編碼與動態(tài)網(wǎng)絡編碼的性能。以融合動態(tài)網(wǎng)絡編碼的雙向多中繼OFDM系統(tǒng)為目標網(wǎng)絡，考慮含有概率性估計差錯項的非完美CSI，闡述了一個最壞情形優(yōu)化問題，并設計了一種具備對抗

7、非完美CSI的魯棒性射頻資源優(yōu)化策略。通過與擁有完美CSI假設的方案和運用靜態(tài)網(wǎng)絡編碼的方案對比，仿真評估結果驗證了所提算法在對抗非完美CSI方面的有效性，并揭示了動態(tài)網(wǎng)絡編碼在提升頻譜效率上的優(yōu)勢。
　　（4）研究了融合動態(tài)網(wǎng)絡編碼的雙向多中繼OFDM網(wǎng)絡能量效率和業(yè)務體驗質量（Quality of Experience，QoE）折衷優(yōu)化。以融合動態(tài)網(wǎng)絡編碼的雙向多中繼OFDM系統(tǒng)為目標網(wǎng)絡，面向能量效率和用戶業(yè)務感知質量的多目

8、標優(yōu)化，研究了QoE與能量消耗的折衷優(yōu)化問題。為獲取QoE與能量的最佳折衷，提出了新的判據(jù) QEE（QoE-Energy），表征單位能量所產(chǎn)生的總 QoE增益，并證明了QEE是QoE的準凹函數(shù)。QEE的準凹特性使得所闡述的以QEE為優(yōu)化目標的射頻資源分配問題成為準凹優(yōu)化問題，且存在全局唯一最優(yōu)化解。通過將所闡述的優(yōu)化問題轉化為一系列凸性可行性問題，提出了一種高效的低復雜度優(yōu)化框架。在此優(yōu)化框架下，分別針對解碼-轉發(fā)（Decode-and

9、-Forward，DF）和計算-轉發(fā)（Compute-and-Forward，CPF）兩中繼策略，開發(fā)了相應的漸近最優(yōu)算法。仿真評估結果證實了所提算法在獲取最優(yōu)折衷點上的有效性。進一步地，在此研究基礎上，通過對QoE和能量項引入加權因子，設計了一種QoE與能量折衷可控的射頻資源優(yōu)化策略，可實現(xiàn)由網(wǎng)絡管理者可控可調的QoE-能量折衷。
　?。?）研究了OFDM無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡射頻資源優(yōu)化系統(tǒng)初步設計方案?；贕NU Radio/US

10、RP開源認知軟件無線電平臺，研究了融合網(wǎng)絡編碼的OFDM協(xié)作中繼網(wǎng)絡資源優(yōu)化系統(tǒng)試驗床的初步設計方案，以期為未來實施系統(tǒng)部署工作提供指導和參考。具體地，給出了試驗床的具體功能需求、硬件配置參數(shù)，并提出了一種模塊化的節(jié)點軟件架構和節(jié)點間交互流程。對具備頻譜認知功能的OFDM物理層主要功能進了分析并提供了參考思路，包括：頻譜幀聽、多帶濾波、單天線多包發(fā)送與多包接收和OFDM參數(shù)配置接口。提出了一種同步媒質接入控制（Medium Access