無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)作資源分配與優(yōu)化.pdf

1、下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中，正交頻分多址接入(orthogonal frequency division multipleaccess，OFDMA)技術(shù)把信道分成若干正交的子載波，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸，從而有效避免符號間的干擾，已經(jīng)成為B3G和未來4G網(wǎng)絡(luò)的主流多址接入技術(shù)。中繼的引入不僅能夠擴大小區(qū)覆蓋面積，而且能夠改善小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量以提高系統(tǒng)吞吐量，與基站鏈路質(zhì)量較差的移動站可以選擇通

2、過中繼站(Relay Station, RS)轉(zhuǎn)發(fā)與基站通信，以提高頻譜和能量的使用效率。組建OFDMA無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的各種關(guān)鍵技術(shù)成為近年來的研究熱點。另外，應(yīng)對全球氣候變化正在成為關(guān)乎各國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重大議題，低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排已經(jīng)成為全世界的關(guān)注焦點。過去對通信技術(shù)的研究很少關(guān)注節(jié)能這一目標(biāo)，因此，針對基于OFDMA的無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)，本文圍繞系統(tǒng)節(jié)能這一中心目標(biāo)，開展頻譜資源和功率資源的協(xié)作與優(yōu)化方法研究。
　　首先

3、，傳統(tǒng)OFDMA無線網(wǎng)絡(luò)引入中繼后，全部頻譜資源不僅供基站到移動站的直傳鏈路使用，還必須留有一部分供基站到中繼站鏈路和中繼站到移動站鏈路使用。頻譜在小區(qū)內(nèi)需要重新規(guī)劃以使其在三種鏈路上能夠有效使用?，F(xiàn)有的動態(tài)頻譜規(guī)劃策略都是根據(jù)鏈路負(fù)載需求或干擾情況等以提高系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)進行頻譜規(guī)劃。本文綜合考慮用戶的速率需求、信道質(zhì)量和干擾情況，以能效為優(yōu)化目標(biāo)提出一種基于能效的動態(tài)頻譜規(guī)劃策略?；趯嶋H系統(tǒng)中離散的自適應(yīng)調(diào)制編碼(Adaptive

4、 modulationand coding scheme，AMC)建立了能效最優(yōu)化頻譜規(guī)劃模型，并采用最優(yōu)化理論中的整數(shù)規(guī)劃對模型進行求解。分析結(jié)果表明，該方案在保證用戶速率需求的情況能夠降低總發(fā)射能量，提高能量使用效率，并且對用戶不均勻分布場景有較強的適應(yīng)性。
　　接著，針對負(fù)載失衡或熱點覆蓋多跳中繼網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于負(fù)載均衡的自適應(yīng)中繼選擇和頻譜轉(zhuǎn)移聯(lián)合優(yōu)化策略。定義一種衡量一個站點對周圍同頻站點干擾程度的干擾量，為某站點對其

5、他站點的干擾提供了量化分析指標(biāo)。當(dāng)用戶申請接入時，首先根據(jù)各條鏈路的信道狀況選擇首選接入站點和備選接入站點，當(dāng)首選接入站點負(fù)載過重而無足夠資源使其接入時，綜合比較接入各選站點和從同扇區(qū)的其他站點向首選站點進行頻譜轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)性能，從而選擇一種維持系統(tǒng)性能較好的方式接入。分析結(jié)果表明，該算法在中心小區(qū)的頻譜效率和阻塞率都優(yōu)于單一的基于負(fù)載均衡的中繼選擇策略和單一的基于負(fù)載均衡的頻譜轉(zhuǎn)移策略，并且平均干擾量也最低，對周圍小區(qū)的系統(tǒng)性能影響較小

6、。
　　隨后，針對非滿負(fù)荷業(yè)務(wù)，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的情況下，以節(jié)能為目標(biāo)為OFDMA多跳中繼網(wǎng)絡(luò)具體的資源分配建立一般化的模型，即動態(tài)分配時域資源、頻域資源和功率資源，所建模型具有很強的靈活性和適應(yīng)性，不僅適用于固定時域分配系統(tǒng)，也適用于非固定時域分配系統(tǒng)，使用拉格朗日乘數(shù)法對模型求解?？紤]到算法復(fù)雜度，應(yīng)用指派問題中的匈牙利算法設(shè)計出一種簡化的資源分配策略。理論和仿真結(jié)果表明，最優(yōu)節(jié)能資源分配算法能夠得到能效的最大化，而簡化節(jié)能

7、資源分配算法與最優(yōu)節(jié)能資源分配算法在能效上的差距不足5％，但算法復(fù)雜度得到了顯著降低。而且，動態(tài)分配時域資源比固定時域分配對用戶分布不均或鏈路分布不均有更強的適應(yīng)性。
　　另外，與現(xiàn)有資源分配方法中大都直接為用戶分配資源不同，在資源分配前首先執(zhí)行調(diào)度策略，把用戶信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級隊列，以保證公平性和較高的吞吐量。以節(jié)約能量消耗為目標(biāo)，為OFDMA中繼網(wǎng)絡(luò)建立離散型的時域、子載波、比特和功率聯(lián)合分配模型，并給出最優(yōu)化求解方法，

8、同時，通過把原始問題分解成三個子問題，提出一種基于分解的簡化次優(yōu)算法。在功率受限系統(tǒng)中，當(dāng)用戶數(shù)較少而資源充足時，隊列中的所有數(shù)據(jù)包都能夠在一個資源分配周期傳輸，此時所提節(jié)能算法可以盡可能的降低系統(tǒng)能量消耗。當(dāng)用戶數(shù)較多而資源不足時，系統(tǒng)將使用最大功率盡可能的服務(wù)更多的數(shù)據(jù)包，用戶調(diào)度算法將在使用最大功率時保證公平性及吞吐量。分析結(jié)果表明，所提的簡化次優(yōu)算法所消耗的能量接近最優(yōu)算法。另外，由于所提的資源分配策略是基于數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級隊列，

9、所以本文也提出了一種考慮了中繼選擇結(jié)果和用戶服務(wù)類型的調(diào)度策略，結(jié)果表明，所提調(diào)度算法的公平因子與傳統(tǒng)比例公平算法接近，并且吞吐量要優(yōu)于傳統(tǒng)比例公平算法。
　　最后，針對上行方向研究兩個單天線的用戶與一個雙天線的基站組成2*2虛擬MIMO的情況，將虛擬MIMO用戶配對策略與調(diào)度算法結(jié)合考慮，提出一種基于信噪比門限的虛擬MIMO部分用戶配對算法。該策略中，接入系統(tǒng)的用戶并非全部采用配對策略，作為吞吐量和公平性的折中考慮，根據(jù)其信干噪