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无线协作通信系统资源优化分配研究

作　者: 李富年
导　师: 朱光喜
学　校: 华中科技大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 无线通信协作分集资源优化凸优化多跳中继功率分配
分类号: TN92
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无线信道的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量提升的主要原因之一。协作分集可通过多用户之间共享彼此天线和其它网络资源的方式构造“虚拟多天线阵列”,并通过分布式信号处理产生协作来获得一定的空间分集增益,有效地降低了无线链路的衰落和不稳定性带来的影响,提高了网络的可靠性。基于协作分集的网络结构及其协作分集和协作多路技术,由于其应用中继协作可以节省终端的发射功率、提高频谱效率以及扩展小区的覆盖范围、平衡负载、转移热点地区的业务等特点,使得其在灾难救助、智能交通、无线接入等领域具有非常重要的意义,在以多跳蜂窝网、无线Ad Hoc网络、无线传感器网络、多跳局域网等为代表的新一代无线通信网络中,将具有巨大的应用价值。为了在有限的资源限制下进一步提高无线协作网络的传输性能,对无线资源进行优化分配有着极其重要的现实意义。本文在优化理论的指导下,主要研究了无线协作网络物理层资源分配的问题。论文第二章研究了OFDM协作网络的的资源分配,考虑了一个典型的多中继OFDM协作网络,研究了如何通过中继节点选择和分布式功率分配的联合资源分配来优化上行链路容量的问题。利用合理的数学建模将上述复杂的通信问题转化为一个最优化问题,其理论上是一个非线性混合二进制整数规划问题,求解最优解的时间复杂度较高。利用优化并行分解的方法,将原始复杂的优化问题分解成两个子问题解决,提出了一种低算法复杂度的机会中继与功率分配的联合资源优化算法。首先提出了一种基于等效信道增益的机会中继选择策略,然后在此基础上通过KKT优化条件以及等效注水算法,给出了分布式节点最优功率分配算法。多用户、多业务的QoS保障机制是无线资源优化的重要问题,如何针对各种不同用户和不同业务的QoS需求建立有效的无线资源控制调度机制,保证可靠的传输特性,提供优良的传输性能,是问题研究的重要方面。论文第三章针对不同的用户业务建立不同的优化等级,研究了基于比例公平性的多用户协作通信场景下的上行链路容量最优化的资源分配问题。首先将用户的公平性保障和系统的资源利用率等因素引入其中,把复杂的约束优化问题转化为系统的效用函数最大化问题。此优化问题是一个非凸优化问题,求其最优解的时间复杂度较高。利用优化并行分解的方法,将原始复杂的优化问题分解成两个子问题解决。首先针对每个用户,提出了一种基于端到端信道容量最大化准则的中继节点选择策略,然后在此基础上通过KKT优化条件给出了节点间的最优功率分配算法。利用物理层网络编码技术的双向中继协作系统,能够充分利用无线电磁信号的广播特性,实现对多路信号的操作,从而有效提高系统频谱效率。论文第四章研究了基于物理层网络编码的OFDM双向中继协作网络的优化问题。针对涉及物理层的资源参数进行合理的数学建模和转化,该优化问题理论上是一非凸优化问题,求解最优解的时间复杂度较高。利用拉格朗日松弛法将非凸优化问题转换为松弛凸优化问题,将原优化问题分解为两个低复杂度的次优问题来解决。首先利用链路容量图表的方法来解决各个子载波内节点间的功率分配问题,其次利用凸优化算法给出了各个子载波间功率分配算法。利用OFDM协作通信中两跳信道之间的独立性,动态调整在中继节点子载波映射策略能够极大的提高系统性能。论文第五章研究了基于模拟网络编码的双向中继OFDM协作网络的最优子载波映射问题。首先提出了一种基于顺序子载波配对的子载波映射方案,并证明了其在系统容量增益方面的最优性。其次利用顺序统计量理论给出了该策略的性能分析,推导了端到端的各子载波配对的中断概率、系统容量、误码率的闭式表达式。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-32
  1.1 研究背景  12-14
  1.2 协作中继的发展和研究现状  14-22
  1.3 凸优化理论  22-28
  1.4 研究动机与意义  28-30
  1.5 论文的主要内容和结构安排  30-32
2 OFDM 协作通信中的机会中继和功率分配的联合优化  32-46
  2.1 引言  32-33
  2.2 OFDM 协作上行链路模型  33-36
  2.3 基于等效功率增益的机会中继策略  36-38
  2.4 功率分配算法  38-43
  2.5 仿真与讨论  43-45
  2.6 本章小结  45-46
3 基于比例公平性的多用户协作通信的资源分配算法  46-61
  3.1 引言  46-47
  3.2 多用户协作系统模型  47-50
  3.3 中继节点选择策略  50-52
  3.4 功率分配算法  52-57
  3.5 仿真与讨论  57-60
  3.6 本章小结  60-61
4 基于PLNC 的OFDM 双向中继协作网络的优化功率分配  61-80
  4.1 引言  61-62
  4.2 双向中继系统  62-66
  4.3 基于PLNC 的OFDM 协作系统模型  66-68
  4.4 功率分配算法  68-76
  4.5 仿真与讨论  76-79
  4.6 本章小结  79-80
5 双向中继OFDM 网络的子载波映射策略以及性能分析  80-94
  5.1 引言  80-81
  5.2 系统模型  81-83
  5.3 顺序子载波映射策略  83-85
  5.4 性能分析  85-90
  5.5 仿真分析与讨论  90-93
  5.6 本章小结  93-94
6 全文总结和展望  94-97
  6.1 全文总结  94-95
  6.2 未来工作展望  95-97
致谢  97-99
参考文献  99-117
附录1 攻读博士学位期间论文目录  117-118
附录2 读博期间参加的课题  118-119
附录3 英文缩写对照表  119-121

无线协作通信系统资源优化分配研究

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