協(xié)同中繼選擇與傳輸策略設(shè)計(jì).pdf

1、“協(xié)同”的基本屬性是參與協(xié)作的相關(guān)實(shí)體通過(guò)貢獻(xiàn)、共享資源以實(shí)現(xiàn)某個(gè)共同目標(biāo)，并獲取額外收益。協(xié)同通信通過(guò)網(wǎng)元之間彼此共享信道資源構(gòu)成虛擬MIMO（virtual multi-input multi-output）獲得離散網(wǎng)元提供的空間分集增益或通過(guò)中繼接力傳輸擴(kuò)展覆蓋范圍、提高通信可靠性。協(xié)同通信的理論依據(jù)源于中繼信道容量能提供比直傳方式更高的信道容量這一重要結(jié)論，隨后，協(xié)同通信的研究和應(yīng)用范疇不斷擴(kuò)展，如在同構(gòu)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同終端

2、或不同技術(shù)協(xié)同，以提高系統(tǒng)性能；在異構(gòu)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)之間相互協(xié)同，以獲得“涌現(xiàn)”增益。
　　雖然協(xié)同的思想為無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展和應(yīng)用提供了一種新的實(shí)現(xiàn)途徑，但協(xié)同通信策略對(duì)系統(tǒng)性能也會(huì)產(chǎn)生影響，如選擇位于不同位置的網(wǎng)元參與協(xié)同，由于信道條件不同，協(xié)同能獲得的性能增益也不同；在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中，由于存在多個(gè)潛在的協(xié)同網(wǎng)元，如何從這些候選網(wǎng)元集合中快捷而有效的選取協(xié)同網(wǎng)元，是協(xié)同中繼選擇關(guān)注的重要內(nèi)容。特別地，當(dāng)多個(gè)用戶(hù)并發(fā)通信時(shí)，如何選擇協(xié)

3、同網(wǎng)元對(duì)系統(tǒng)性能的提升最大，并考慮業(yè)務(wù)QoS（quality of service）需求、傳輸時(shí)延、性能增益以及公平性等將使問(wèn)題更加復(fù)雜。此外，基于中繼選擇的協(xié)同資源分配能進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，將中繼選擇與資源分配融合是協(xié)同策略研究的另一個(gè)重要內(nèi)容。
　　已有的協(xié)同中繼選擇和傳輸策略設(shè)計(jì)研究成果大多是針對(duì)單源協(xié)作應(yīng)用場(chǎng)景下的系統(tǒng)性能和分集性能分析，而針對(duì)多源多中繼、融合OFDM技術(shù)的中繼選擇以及雙向中繼傳輸?shù)确矫娴闹欣^策略和資源分配

4、仍存在大量關(guān)鍵技術(shù)亟待深入分析研究。本文圍繞協(xié)同通信中繼選擇和傳輸策略設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，重點(diǎn)探索 OFDM下的中繼策略、高密度網(wǎng)絡(luò)的多用戶(hù)中繼策略、基于地理位置的中繼策略以及不對(duì)稱(chēng)雙向中繼傳輸策略，主要內(nèi)容和成果包括：
　　1）針對(duì)單源多中繼單目標(biāo)協(xié)同通信應(yīng)用場(chǎng)景，研究協(xié)同傳輸與OFDM技術(shù)結(jié)合的協(xié)同中繼選擇與資源分配問(wèn)題。為消除選擇性O(shè)FDM中繼傳輸中協(xié)同分集的實(shí)現(xiàn)受制于最差配對(duì)子載波信道質(zhì)量的瓶頸，提出一種比特重加載的選擇性O(shè)FD

5、M協(xié)同中繼方案。該方案僅選擇單中繼節(jié)點(diǎn)重傳整個(gè)OFDM符號(hào)，通過(guò)在每跳執(zhí)行自適應(yīng)比特加載并采用最小最大法選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)，能獲得選擇協(xié)同的中斷概率性能下界。理論分析了該中繼方案的中斷性能，并在固定傳輸速率和固定發(fā)送功率兩種情形下給出了詳細(xì)的中繼選擇和功率分配策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提方案的中斷性能和端到端可達(dá)速率。
　　2）針對(duì)多用戶(hù)協(xié)同MANET網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)隨機(jī)方式或基于接收信噪比最大準(zhǔn)則選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)均不能通過(guò)用戶(hù)間協(xié)作獲得滿(mǎn)分集，

6、而采用固定順序協(xié)作又忽略了信道狀態(tài)因素，會(huì)降低協(xié)同增益。為了獲得滿(mǎn)分集，提出一種基于用戶(hù)域協(xié)同和中繼域協(xié)同的兩階段自治式協(xié)同中繼選擇算法，即將協(xié)同中繼選擇過(guò)程劃分為源節(jié)點(diǎn)組中繼選擇階段和空閑節(jié)點(diǎn)組中繼選擇階段。在中繼選擇過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立決策是否中繼和為誰(shuí)中繼，由于源節(jié)點(diǎn)組中繼選擇不能保證每個(gè)源節(jié)點(diǎn)都能找到中繼，再利用空閑節(jié)點(diǎn)組中繼選擇為未找到中繼的源節(jié)點(diǎn)選擇中繼。為了避免多個(gè)源節(jié)點(diǎn)選擇同一中繼節(jié)點(diǎn)，引入中繼域的概念，空閑節(jié)點(diǎn)集合自主形

7、成中繼域，每個(gè)源節(jié)點(diǎn)在各自中繼域內(nèi)選取中繼。通過(guò)與固定優(yōu)先級(jí)傳輸機(jī)制，就包傳輸率和誤符號(hào)率等性能指標(biāo)進(jìn)行的對(duì)比仿真測(cè)試，驗(yàn)證了算法的有效性。
　　3）針對(duì)多跳移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)，在已知節(jié)點(diǎn)位置信息的前提下，研究基于位置信息的能效最優(yōu)中繼選擇策略。將協(xié)同通信技術(shù)引入移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置信息進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)選取和相應(yīng)的中繼選擇。針對(duì)單用戶(hù)多跳場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種根據(jù)位置信息判斷下一跳節(jié)點(diǎn)以及相應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇方案。為了提高頻

8、譜效率，針對(duì)處于不同方位的兩用戶(hù)多跳場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種能耗最小的中繼選擇方案。在下一跳節(jié)點(diǎn)選取中，利用無(wú)信標(biāo)貪婪前傳和無(wú)信標(biāo)恢復(fù)前傳分別在前向步進(jìn)區(qū)域和后向步進(jìn)區(qū)域進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)選取；在中繼選擇中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置信息，以系統(tǒng)能耗為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種基于位置的優(yōu)先級(jí)判定和中繼選取策略。
　　4）針對(duì)AF-OFDM雙向中繼系統(tǒng)，研究不對(duì)稱(chēng)通信需求約束下系統(tǒng)總能效優(yōu)化策略。由于兩個(gè)用戶(hù)具有不同的通信速率要求，為速率要求高者分配更多的子載波

9、；由于兩個(gè)用戶(hù)分配的子載波數(shù)不同，一部分子載波將工作在雙向傳輸模式，而另一部分子載波將工作在單向傳輸模式。以系統(tǒng)能效為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建聯(lián)合中繼傳輸模式選擇、功率分配和比特加載的組合優(yōu)化模型。針對(duì)該混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，提出一種結(jié)構(gòu)近似優(yōu)化算法。算法運(yùn)行分為兩階段：第一階段，固定子載波分配集合，優(yōu)化單向中繼傳輸和雙向中繼傳輸?shù)墓β史峙?，將原?yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)子優(yōu)化問(wèn)題求解；第二階段，利用子載波配對(duì)形成的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)搜索雙向中繼傳輸?shù)淖罴炎虞d波數(shù)，避