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OFDM协同中继系统自适应资源分配技术研究

作　者: 林懿诚
导　师: 王文博
学　校: 北京邮电大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 正交频分复用协同中继放大转发解码转发中继选择功率分配子载波配对比特加载比例公平干扰协调迭代注水几何规划
分类号: TN919.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

正交频分复用(OFDM)技术通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变为单径平坦衰落信道,从而可以有效抑制符号间干扰(ISI)。通过将相互正交的子信道分配给不同的终端,正交频分复用接入(OFDMA)可认为是OFDM技术在多用户环境下的扩展。OFDMA为无线资源的分配提供了更大的自由度,使得容量、覆盖以及公平性等性能指标可以得到较好的折中。此外,在现有的蜂窝网络的结构下增加中继节点,利用多跳传输的方式可以进一步扩大系统的覆盖范围以及提供更高的频谱效率；而且中继不需要使用有线回程链路,具有较低的成本。因此,OFDM与协同中继技术已经成为下一代无线通信中的关键技术被讨论,而二者的结合更是涵盖了各自的优点,具有广泛的研究与应用前景。本文以OFDM协同中继系统中的资源分配技术作为研究内容。在概述OFDM系统的发展以及无线资源分配技术之后,论文的第二章简要介绍了OFDM系统中资源分配的几类目标以及对应的相关技术,包括单小区中容量与公平性的折中,以及多小区中系统容量与小区边缘性能的折中。论文第三章引出协同中继技术,并简要讨论了两种固定中继方案：放大转发(AF)与解码转发(DF)方案的基本原理。论文的第四章对于单小区OFDM协同中继系统中的资源分配技术进行了详细的研究。现有文献中已讨论了几种中继传输中的关键技术,包括中继选择技术,最优功率分配,两跳系统的子载波配对等。在此基础之上,本文提出了一种解码转发两跳点对点通信中的基于梯度法的迭代最优功率分配算法。对于考虑实际离散频谱效率约束的放大转发点对点通信,本文提出了一种最优的比特加载算法,在每载波上对直接传输和协同中继传输进行自适应选择,并且能够结合子载波配对技术,有效的减小了系统(源节点和中继节点)的能量消耗。接着本文研究了多中继点对点通信中的资源分配。通过联合考虑中继选择,两跳子载波配对,以及多中继最优功率分配,该优化问题被建模为一个二元混合整数规划问题。为有效求解该问题,本文提出了一种启发式贪婪算法,将原问题分解为两个独立的子问题进行有效求解。该算法能极大的提高系统容量,并与性能上限差别很小。对于多用户两跳中继系统,本文提出了两种联合子载波配对的比例公平(PF)资源分配算法,能够在有效利用多用户分集增益的同时保证一定的用户公平度。这两种算法在子载波分配和配对的顺序上有所不同,但相对于从单跳系统中扩展出的传统PF分配方法都有一定的容量增益,并能达到最优的用户公平度指标(GPF)。对于多小区环境下的OFDM协同中继系统,由于中继的加入使得系统中的干扰环境更加复杂,资源分配需要对各个接入节点进行协调。第五章首先介绍了协同中继系统中的干扰环境以及几种现有的静态／半静态干扰协调算法。接着,本文对于干扰受限的空间复用解码转发中继系统中容量最大化的子载波功率分配算法进行了研究。首先通过算数几何平均不等式近似的方法,将该优化问题转化为一种几何规划(GP)问题从而有效求解；并通过迭代的方式,在多次近似求解后使得转化问题的解逐渐收敛于原问题的解。由于这种算法的复杂度较高,本文还提出了一种具有较低复杂度的贪婪二进制多载波功率分配算法。通过仿真可得这两种算法均优于传统的迭代注水算法。最后,论文在总结工作的基础上,分析了不足之处和下一步工作的展望。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-13
  1.1 研究背景  11
  1.2 论文主要贡献及章节安排  11-13
第2章 OFDM蜂窝系统资源分配概述  13-29
  2.1 OFDM系统及其链路自适应  13-15
  2.2 OFDM单链路传输资源分配优化  15-18
  2.3 单小区OFDM系统中的资源分配技术  18-24
    2.3.1 考虑系统传输速率/功率性能的资源分配方案  19-22
    2.3.2 考虑用户公平性的资源分配方案  22-24
  2.4 多小区OFDM系统中的资源分配技术  24-28
    2.4.1 考虑系统整体性能的资源分配方案  25-26
    2.4.2 考虑小区边缘性能的资源分配方案  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章基于OFDM的协同中继技术  29-42
  3.1 协同中继概念的提出  29-30
  3.2 基本的中继方案  30-33
  3.3 协同中继与OFDM技术的结合  33-41
    3.3.1 中继选择技术  33-35
    3.3.2 放大转发两跳系统的最优功率分配算法  35-37
    3.3.3 解码转发两跳系统的最优功率分配算法  37-39
    3.3.4 两跳协同中继系统的子载波配对技术  39-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章单小区OFDM协同中继资源分配  42-69
  4.1 OFDM放大转发中继系统的最优比特加载算法  42-50
    4.1.1 点对点单中继放大转发系统模型  42-44
    4.1.2 给定信噪比下的最优两跳功率分配  44-45
    4.1.3 结合子载波配对的比特加载算法  45-48
    4.1.4 算法仿真与性能分析  48-50
  4.2 联合中继选择、子载波配对和功率分配的资源分配算法  50-59
    4.2.1 两跳多中继协作系统问题建模  50-52
    4.2.2 结合子载波配对的中继选择算法  52-55
    4.2.3 多中继系统中的功率分配  55-56
    4.2.4 算法仿真与性能分析  56-59
  4.3 多用户中继系统中的比例公平资源分配  59-68
    4.3.1 多用户中继系统问题建模  60-62
    4.3.2 最大化系统容量的子载波分配与配对算法  62-64
    4.3.3 考虑比例公平的子载波分配与配对算法  64-65
    4.3.4 算法仿真与性能分析  65-68
  4.4 本章小结  68-69
第5章多小区干扰环境下的OFDM协同中继资源分配  69-83
  5.1 协同中继系统中的干扰环境  69-70
  5.2 协同通信系统中的静态/半静态资源划分  70-71
  5.3 OFDM空间复用DF中继系统中容量最大化的功率分配算法  71-82
    5.3.1 OFDM空间复用DF中继系统建模  72-74
    5.3.2 迭代注水算法  74
    5.3.3 基于几何规划的近优功率分配算法  74-77
    5.3.4 二进制次优功率分配算法  77-79
    5.3.5 算法仿真与性能分析  79-82
  5.4 本章小结  82-83
第6章总结与展望  83-84
参考文献  84-87
附录  87-89
致谢  89-90
攻读硕士学位期间发表的学术论文  90-91

OFDM协同中继系统自适应资源分配技术研究

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