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基于中继的OFDM系统无线资源管理关键技术的研究

作　者: 时洁
导　师: 吴伟陵
学　校: 北京邮电大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: OFDM中继无线资源分配分组调度中继蜂窝网无线Mesh网络
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近些年来,随着移动通信、数据通信和Internet网络的飞速发展,人们对下一代的无线通信网络提出了更高的要求。它不仅要能够为用户提供满足QoS需求的服务,特别是高速率、低时延的多媒体业务,还应具有网路拓扑可伸缩、建网成本低的特点,以满足运营商对未来商用网络的期望。OFDM技术具有抗多径衰落、频谱效率高的优点,而中继技术则可以有效的增强无线覆盖、降低网络建设成本、甚至在协作中继模式下提升链路的信道质量,将OFDM技术和中继技术的结合应用在无线通信网络中,已成为理论界和工业界普遍认可的未来无线网络的发展趋势之一。灵活有效的无线资源管理对无线网络的设计有着十分重要的作用,本文针对基于OFDM技术的无线中继系统的无线资源分配和分组调度进行了研究,重点分析了OFDM中继链路和基于中继的OFDMA蜂窝网的资源分配问题,并对基于中继的无线Mesh主干网的分组调度进行了探索。这些工作得到了“973”计划项目“多域协同宽带无线通信基础研究”(No.2007CB310604)、国家自然科学基金项目“未来无线网络的分布式处理理论研究”(No.60772108)以及与中国移动研究院合作的“无线Mesh关键技术研究”等项目的支持和资助。本文的主要内容如下：本文在回顾了无线中继通信的发展、说明了当前无线中继通信面临的挑战之后,首先对无线中继通信的起源——无线中继链路进行研究。针对两跳协作式中继链路,以最大化系统的容量为目标,利用功率分配的结论,提出了AF、DF模式下启发式子载波分配策略,提出的算法复杂度低且明显地提升了容量。然后,将两跳的中继链路扩展到多跳链路,在系统总功率受限的条件下,利用单亲遗传算法的思想,提出了功率和子载波联合优化的无线资源分配策略。针对AF模式,利用归纳法,将复杂数学模型等价为一般模式,进一步利用拉格朗日子算法和功率注水定理,提出了适用于单载波多跳中继链路的最优功率分配方法,并以此方法为基础提出了可用于多载波的自适应功率分配算法。将该功率分配算法应用于联合优化策略,系统的容量得到了进一步显著提升。在完成中继链路的研究之后,本文的第四章将中继引入OFDMA蜂窝网,研究这种增强型蜂窝网的无线资源分配问题。不同于一般的研究过程,本文依据博弈理论和纳什议价解,建立了满足用户QoS需求且兼顾用户公平性的无线资源分配模型。根据纳什议价解的存在条件,提出了新颖的子载波分配算法,这种算法在满足用户最低速率需求的前提下,公平地获取网络的无线资源,并提升了整个网络的频谱效率。在确定子载波分配后,研究了OFDMA中继蜂窝网的最优的功率分配问题,提出了一种高效的功率分配方法,使得系统容量进一步提高。上述的中继链路和中继蜂窝网的无线资源分配都是采用集中式分配方法,针对分布式的无线Mesh主干网,论文研究了MRMC (Multi-Radio/Multi-Channel)技术下的分布式无线Mesh分组调度。在本文提出的分组调度策略中,每个Mesh主干网的节点(Mesh路由器)负责该节点内所有分组的调度。利用分组的路由信息,提出了一种具有跨层思想的基于分组路由跳数的优先级判定准则,并根据改进的功率注水方法,给出了适用于MRMC的无线资源分配方法,仿真结果显示提出的分组调度方法可有效降低分组的时延和丢包率。论文的最后一章对全文的内容做了总结,并给出了基于OFDM技术的无线中继网络的研究热点。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-25
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 无线中继通信的历史和现状  14-19
    1.2.1 无线中继通信的发展  14-15
    1.2.2 无线中继的分类  15-16
    1.2.3 无线中继通信的挑战  16-19
  1.3 论文的选题和结构  19-21
    1.3.1 论文的选题思路  19
    1.3.2 论文的框架结构  19-20
    1.3.3 论文的主要贡献  20-21
  1.4 本章参考文献  21-25
第二章 OFDM两跳中继系统的无线资源分配  25-42
  2.1 本章引论  25-26
  2.2 基本原理  26-29
    2.2.1 OFDM的基本原理  26-28
    2.2.2 各类中继模式下的容量计算  28-29
  2.3 系统模型  29-31
  2.4 功率分配  31-35
    2.4.1 总功率受限的最优功率分配  31-33
    2.4.2 源节点和中继节点都受限的最优功率分配  33-35
  2.5 联合优化策略  35-36
  2.6 仿真结果和性能分析  36-39
  2.7 本章小结  39-40
  2.8 本章参考文献  40-42
第三章 OFDM多跳中继系统的无线资源分配  42-63
  3.1 本章引论  42-43
  3.2 系统模型  43-46
  3.3 基于单亲遗传算法的联合优化策略  46-50
    3.3.1 遗传算法原理  46-47
    3.3.2 联合资源分配策略  47-50
  3.4 功率分配  50-54
    3.4.1 DF模式下的最优功率分配  50-51
    3.4.2 AF模式下的最优功率分配  51-54
  3.5 仿真分析  54-60
    3.5.1 仿真说明  54
    3.5.2 仿真参数  54-55
    3.5.3 仿真结果与分析  55-60
  3.6 本章小结  60-61
  3.7 本章参考文献  61-63
第四章中继蜂窝网的无线资源分配  63-80
  4.1 本章引论  63-65
  4.2 系统模型  65-71
    4.2.1 网络模型  65-66
    4.2.2 博弈理论  66-69
    4.2.3 基于NBS的无线分配问题描述  69-71
  4.3 基于NBS的无线资源配  71-75
    4.3.1 基于NBS的子载波分配  71-73
    4.3.2 中继基站的剩余功率分配  73-74
    4.3.3 无线资源分配算法  74-75
  4.4 仿真结果与性能分析  75-77
  4.5 本章小结  77-78
  4.6 本章参考文献  78-80
第五章基于MRMC的无线MESH网络分组调度  80-105
  5.1 本章引论  80-83
  5.2 相关调研  83-86
    5.2.1 802.16系列中基于QoS的分组调度  83-84
    5.2.2 蜂窝网的分组调度  84-86
    5.2.3 有线网络的分组调度机制  86
    5.2.4 针对无线Mesh网络的调度算法  86
  5.3 系统模型  86-90
  5.4 调度策略  90-96
    5.4.1 分组优先级准则  91-93
    5.4.2 无线资源分配算法  93-96
  5.5 仿真结果和讨论  96-102
  5.6 本章小结  102-103
  5.7 参考文献  103-105
第六章总结与展望  105-108
  6.1 总结  105-106
  6.2 不足与展望  106-108
附录基于二分法的功率注水定理  108-109
符号与缩写说明  109-111
致谢  111-112
攻读博士学位期间发表的论文和撰写的专利  112

基于中继的OFDM系统无线资源管理关键技术的研究

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