無線中繼系統(tǒng)中的資源優(yōu)化分配與合作策略研究.pdf

1、人們對隨時隨地進行自由通信的渴望促進了無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展。．Ad-hoc(自組織網(wǎng))、mesh(網(wǎng)格網(wǎng))這類基于中繼的無線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)令傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)一直存在的可伸縮性低和健壯性差等諸多問題迎刃而解，關(guān)于無線中繼系統(tǒng)的研究也因此蓬勃發(fā)展起來。近幾年出現(xiàn)的合作分集(cooperatiVe diverlsity)技術(shù)便是這一發(fā)展趨勢下的產(chǎn)物，是提高無線信道容量和可靠性的一種有效手段。為了在有限的資源限制下進‘步提高傳輸速率，從鏈路層對無線資源進

2、行優(yōu)化分配有著極其重大的現(xiàn)實意義。不同于傳統(tǒng)的單跳網(wǎng)絡(luò)，無線中繼系統(tǒng)的資源優(yōu)化分配必須結(jié)合鏈路多跳特性對資源在各跳之問進行合理配置?？紤]到寬帶通信中無線信道的頻率選擇性衰落特性，正交頻分復用(OFDM)技術(shù)將被未來的通信系統(tǒng)廣泛采用。結(jié)合了OFDM技術(shù)的無線中繼系統(tǒng)中的資源優(yōu)化分配問題變得更加復雜，需要把子載波和功率資源聯(lián)合地分配給系統(tǒng)中的各跳節(jié)點，以求最大限度地提高系統(tǒng)吞吐量。由于這方面的研究并不成熟，本文將OFDM無線中繼系統(tǒng)中的資

3、源優(yōu)化分配作為挑戰(zhàn)和努力的方向之。 無線中繼系統(tǒng)的多跳傳輸通過節(jié)點之間的相互合作完成，合作策略對系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要。合作策略包括合作方式選擇與合作伙伴選擇，合作方式選擇決定了合作條件與合作形式，而合作伙伴選擇決定了合作對象。合作策略在設(shè)計時需要根據(jù)具體應(yīng)用場景綜合考慮節(jié)點自身的性能、系統(tǒng)整體性能以及所有節(jié)點間的公平性。合作策略的恰當與否將直接影響節(jié)點的傳輸速率乃至整個系統(tǒng)的吞吐量，因此意義重大。結(jié)合無線中繼系統(tǒng)特性提出有效的

4、合作策略是本文的另一個努力方向。 本文在無線資源優(yōu)化分配方面的工作以O(shè)FDM無線中繼系統(tǒng)為具體研究對象。 首先，研究了OFDM再生多跳鏈路的子載波和功率優(yōu)化分配問題。針塒各態(tài)歷經(jīng)信道，為了獲得更高的傳輸效率和可靠性，提出了三種基于貪婪算法的資源優(yōu)化分配策略，從而通過對無線資源的合理配置提高了鏈路的遍歷信道容量。針對非各態(tài)歷經(jīng)信道，為了最大化鏈路的即時傳輸速率，提出了兩種分別適用于正交頻分復用-時分多址接入(OFDM—TD

5、MA)和正交頻分復用一頻分多址接入(OFDM—FDMA)方式的自適應(yīng)資源優(yōu)化分配算法。與固定的資源分配策略相比，這兩種自適應(yīng)算法都能夠有效地提高鏈路的吞吐量。其次，研究了有合作分集的OFDM 中繼鏈路的最優(yōu)功率分配和了載波配對問題。根據(jù)功率受限力式以及各節(jié)點處的信道狀態(tài)信息獲得情況，將上述問題分成四種類型加以討論。在子載波配對模式確定的前提下，分別針對這四種類型的問題提出了功率最優(yōu)分配算法。進一步地，將所提出的功率分配算法與匈牙利算法相

6、結(jié)合，提出了一種聯(lián)合的功率分配與子載波配對方案，該方案能夠有效地提高鏈路的即時信道容量。本文在合作策略方面的工作以一般的無線中繼系統(tǒng)為背景展開。 首先，研究了基于部分信道狀態(tài)信息(CSI)的合作中繼策略。提出了一種以最小化鏈路中斷概率為目標的選擇中繼(selection relaying)策略，該策略只需利用節(jié)點的地理位置信息，避免了繁瑣的信道估計。進一步地，將該策略推廣到大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種基于最小-最大(min—max)

7、準則的合作伙伴選擇方案，成功實現(xiàn)了最小化網(wǎng)絡(luò)巾所有用戶的最大中斷慨率的優(yōu)化目標。其次，研究了合作中繼策略的博弈論方法。提出了一個由兩個用戶和一個接入點組成的三節(jié)點模型。該模型中每個用戶都既是源又是對方的潛在中繼，用戶地位完全對等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)合作博弈理論提出了一個基于納什討價還價解的合作帶寬分配策略。該策略給出了用戶之間的合作條件以及合作方式，能夠有效地提高用戶各自的效用以及系統(tǒng)的總效用。此外，文中針對功率控制和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)等問題也進行