基于有限反饋的OFDM中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源分配.pdf

1、伴隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，準(zhǔn)確、高速、大容量已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要特征，然而通信范圍的不斷擴(kuò)大，通信環(huán)境的更加復(fù)雜多樣，導(dǎo)致了通信信道中嚴(yán)重的衰落和干擾等其非理想特性的產(chǎn)生。多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)充分利用空間分集來實(shí)現(xiàn)無線信道的抗衰落，它能在不增加帶寬的前提下大幅提高通信網(wǎng)絡(luò)的信道容量和頻譜利用率。然而，在許多應(yīng)用場景中很難直接應(yīng)用MIMO技術(shù)，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和

2、自組織網(wǎng)，移動(dòng)終端或者網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受到功耗、價(jià)格以及自身尺寸的限制，終端和節(jié)點(diǎn)無法使用多根天線。此時(shí)，中繼協(xié)作分集概念應(yīng)運(yùn)而生。其原理是無線通信系統(tǒng)通過中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作形成一個(gè)虛擬的MIMO系統(tǒng)，從而獲得分集增益，它在克服了傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備限制的同時(shí)，增加了系統(tǒng)的覆蓋范圍和通信的可靠性，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線AdHoc網(wǎng)、無線Mesh網(wǎng)、以及蜂窩網(wǎng)等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。另一方面，作為一種正交多載波調(diào)制技術(shù)，正交頻分復(fù)用(O

3、FDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)以其優(yōu)越的抗多徑性能和更高的頻譜效率成為下一代通信系統(tǒng)物理層核心技術(shù)。而OFDM技術(shù)與中繼分集技術(shù)的結(jié)合，能夠更好地改善數(shù)據(jù)的傳輸速率和通信的可靠性。但同時(shí)會(huì)使通信系統(tǒng)中的資源優(yōu)化分配問題變得更加復(fù)雜，因?yàn)樗枰炎虞d波和功率等資源聯(lián)合分配給系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)。此外，在OFDM中繼通信的各跳中，子載波上的信道衰減相互獨(dú)立，因而子載波匹配便顯得極其重

4、要。本文以O(shè)FDM中繼系統(tǒng)中的功率分配和子載波匹配技術(shù)作為主要研究內(nèi)容，并提出一種基于有限反饋的資源分配策略。主要內(nèi)容如下:
　　 1.在假設(shè)發(fā)送端與中繼節(jié)點(diǎn)具有完全信道狀態(tài)信息的前提下，本文提供了一種低復(fù)雜度的聯(lián)合資源分配算法，包括兩跳的子載波匹配以及子載波的功率分配。在總功率受限以及個(gè)體功率受限兩種應(yīng)用場景中，論文分別對(duì)解碼一轉(zhuǎn)發(fā)(DF，Decode-and-Forward)，放大一轉(zhuǎn)發(fā)(AF，Amplify-and-For

5、ward)兩種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行了探討。由于子載波匹配限制條件的特殊性，優(yōu)化問題表現(xiàn)為一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃(MIP，Mixed Integer Programming)問題，基于多載波系統(tǒng)資源分配問題的特殊性，論文采用對(duì)偶化方法獲得了該優(yōu)化問題的閉式解。仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中的分析，通過與現(xiàn)有算法的比較，揭示了新算法的可行性和有效性。
　　 2.在實(shí)際OFDM中繼通信系統(tǒng)中，由于受到迂回滯后、信道估計(jì)誤差、反饋鏈路容量有限等因素的制約，發(fā)送端

6、及中繼節(jié)點(diǎn)很難獲得完全信道狀態(tài)信息。本文對(duì)基于有限比特反饋的OFDM中繼系統(tǒng)資源分配策略優(yōu)化進(jìn)行了研究，并提出了基于有限比特反饋的最優(yōu)功率和子載波聯(lián)合分配方案。基于有限反饋的資源分配策略優(yōu)化的關(guān)鍵在于碼本設(shè)計(jì)。論文提出了基于容量最優(yōu)化準(zhǔn)則的新碼本設(shè)計(jì)算法，并設(shè)計(jì)了新的失真函數(shù)，改進(jìn)了通用的Lloyd算法。通過仿真，論文驗(yàn)證了只需要有限比特的反饋便可以給系統(tǒng)帶來較大的性能增益。
　　 3.分析發(fā)現(xiàn)，在三節(jié)點(diǎn)中繼分集網(wǎng)絡(luò)中，在某些信

7、道狀態(tài)下，中繼在第二時(shí)隙并不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在OFDM通信系統(tǒng)中，這種現(xiàn)象則表現(xiàn)為部分子載波在第二時(shí)隙處于空閑狀態(tài)，并沒有得到充分利用。本文提出一種改進(jìn)型AF與DF機(jī)制，在第二時(shí)隙允許源節(jié)點(diǎn)在那些空閑的子載波信道中發(fā)送新的信息。從而更加充分地利用系統(tǒng)頻譜資源。論文提出了一種基于改進(jìn)型AF(DF)功率分配和子載波匹配算法。仿真發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的中繼機(jī)制，基于OFDM改進(jìn)型中繼系統(tǒng)獲得了顯著的容量提升。
　　 4.為了驗(yàn)證所提出改進(jìn)型算法