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无线中继系统中的资源优化分配与合作策略研究

作　者: 石璟
导　师: 仇佩亮；张朝阳
学　校: 浙江大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 多跳合作分集正交频分复用资源优化合作策略
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 1010次
引　用: 12次
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内容摘要

人们对随时随地进行自由通信的渴望促进了无线网络的迅速发展。Adhoc(自组织网)、mesh(网格网)这类基于中继的无线网络的出现令传统无线网络一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题迎刃而解，关于无线中继系统的研究也因此蓬勃发展起来。近几年出现的合作分集(cooperative diversity)技术便是这一发展趋势下的产物，是提高无线信道容量和可靠性的一种有效手段。为了在有限的资源限制下进一步提高传输速率，从链路层对无线资源进行优化分配有着极其重大的现实意义。不同于传统的单跳网络，无线中继系统的资源优化分配必须结合链路多跳特性对资源在各跳之间进行合理配置。考虑到宽带通信中无线信道的频率选择性衰落特性，正交频分复用(OFDM)技术将被未来的通信系统广泛采用。结合了OFDM技术的无线中继系统中的资源优化分配问题变得更加复杂，需要把子载波和功率资源联合地分配给系统中的各跳节点，以求最大限度地提高系统吞吐量。由于这方面的研究并不成熟，本文将OFDM无线中继系统中的资源优化分配作为挑战和努力的方向之一。无线中继系统的多跳传输通过节点之间的相互合作完成，合作策略对系统性能的影响至关重要。合作策略包括合作方式选择与合作伙伴选择，合作方式选择决定了合作条件与合作形式，而合作伙伴选择决定了合作对象。合作策略在设计时需要根据具体应用场景综合考虑节点自身的性能、系统整体性能以及所有节点间的公平性。合作策略的恰当与否将直接影响节点的传输速率乃至整个系统的吞吐量，因此意义重大。结合无线中继系统特性提出有效的合作策略是本文的另一个努力方向。本文在无线资源优化分配方面的工作以OFDM无线中继系统为具体研究对象。首先，研究了OFDM再生多跳链路的子载波和功率优化分配问题。针对各态历经信道，为了获得更高的传输效率和可靠性，提出了三种基于贪婪算法的资源优化分配策略，从而通过对无线资源的合理配置提高了链路的遍历信道容量。针对非各态历经信道，为了最大化链路的即时传输速率，提出了两种分别适用于正交频分复用-时分多址接入(OFDM-TDMA)和正交频分复用-频分多址接入(OFDM-FDMA)方式的自适应资源优化分配算法。与固定的资源分配策略相比，这两种自适应算法都能够有效地提高链路的吞吐量。其次，研究了有合作分集的OFDM中继链路的最优功率分配和子载波配对问题。根据功率受限方式以及各节点处的信道状态信息获得情况，将上述问题分成四种类型加以讨论。在子载波配对模式确定的前提下，分别针对这四种类型的问题提出了功率最优分配算法。进一步地，将所提出的功率分配算法与匈牙利算法相结合，提出了一种联合的功率分配与子载波配对方案，该方案能够有效地提高链路的即时信道容量。本文在合作策略方面的工作以一般的无线中继系统为背景展开。首先，研究了基于部分信道状态信息(CSI)的合作中继策略。提出了一种以最小化链路中断概率为目标的选择中继(selection relaying)策略，该策略只需利用节点的地理位置信息，避免了繁琐的信道估计。进一步地，将该策略推广到大规模网络中，提出了一种基于最小-最大(min-max)准则的合作伙伴选择方案，成功实现了最小化网络中所有用户的最大中断概率的优化目标。其次，研究了合作中继策略的博弈论方法。提出了一个由两个用户和一个接入点组成的三节点模型。该模型中每个用户都既是源又是对方的潜在中继，用户地位完全对等。在此基础上，根据合作博弈理论提出了一个基于纳什讨价还价解的合作带宽分配策略。该策略给出了用户之间的合作条件以及合作方式，能够有效地提高用户各自的效用以及系统的总效用。此外，文中针对功率控制和网络实现等问题也进行了一些讨论。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章绪论  13-31
  1.1 研究背景  13-16
  1.2 中继无线通信的发展与研究现状  16-25
    1.2.1 中继信道  16-17
    1.2.2 合作分集  17-22
    1.2.3 合作中继研究中的博弈论方法  22-25
  1.3 论文研究的意义和贡献  25-28
    1.3.1 选题动机和意义  25-27
    1.3.2 论文的主要贡献  27-28
  1.4 本文研究内容和结构安排  28-31
第二章 OFDM多跳中继系统的资源优化分配  31-57
  2.1 引言  31-33
  2.2 无线信道的容量  33-34
    2.2.1 高斯信道容量  33
    2.2.2 各态历经信道与非各态历经信道  33-34
  2.3 各态历经信道条件下的资源优化分配  34-43
    2.3.1 系统模型  34-36
    2.3.2 资源优化分配策略  36-39
    2.3.3 仿真结果分析  39-43
  2.4 非各态历经信道条件下的资源优化分配  43-54
    2.4.1 系统模型  43-45
    2.4.2 资源优化分配算法  45-52
    2.4.3 仿真结果分析  52-54
  2.5 本章小结  54-57
第三章 OFDM合作中继系统的资源优化分配  57-74
  3.1 引言  57-58
  3.2 系统模型  58-60
  3.3 最优功率分配  60-67
    3.3.1 只在中继进行的最优功率分配  61-63
    3.3.2 只在源进行的最优功率分配  63-65
    3.3.3 功率分别受限时在源和中继同时进行的最优功率分配  65-66
    3.3.4 和功率受限时在源和中继同时进行的最优功率分配  66-67
  3.4 联合的子载波配对与功率分配  67-68
  3.5 仿真结果分析  68-73
  3.6 本章小结  73-74
第四章基于部分CSI的合作中继策略  74-87
  4.1 引言  74-75
  4.2 系统模型  75-76
  4.3 中断概率  76-77
  4.4 基于部分信道状态信息的选择中继策略  77-81
    4.4.1 对称上行链路情况  79-80
    4.4.2 非对称上行链路情况  80-81
  4.5 基于最小-最大准则的合作伙伴选择  81-83
  4.6 仿真结果分析  83-84
  4.7 本章小结  84-87
第五章合作中继策略的博弈论方法  87-111
  5.1 引言  87-88
  5.2 博弈论基础  88-94
    5.2.1 基本定义  88-90
    5.2.2 优势策略均衡与纳什均衡  90-93
    5.2.3 帕累托效率与聚点  93-94
    5.2.4 合作与非合作博弈  94
  5.3 基于纳什讨价还价解的合作策略  94-104
    5.3.1 系统模型  94-97
    5.3.2 效用函数  97-99
    5.3.3 基于纳什讨价还价解(NBS)的合作策略  99-104
  5.4 仿真结果分析  104-107
  5.5 讨论和一些未来的方向  107-110
    5.5.1 功率控制  107-109
    5.5.2 网络实现  109-110
    5.5.3 基于非合作博弈论的策略  110
  5.6 本章小结  110-111
第六章总结与展望  111-114
  6.1 本文的主要工作和主要结论  111-112
  6.2 未来研究工作设想  112-114
参考文献  114-123
致谢  123-125
在学期间的研究成果及发表的论文  125-126

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