下一代無線中繼系統(tǒng)中的多維資源聯(lián)合優(yōu)化策略.pdf

1、未來無線通信系統(tǒng)需要支持更高速率，更大容量，以及更廣覆蓋。協(xié)作中繼技術(shù)能有效抵抗無線信道衰落，提高系統(tǒng)容量，擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋，已成為長期演進(jìn)增強(qiáng)系統(tǒng)（LTE-A）中的重要候選技術(shù)。但由于中繼節(jié)點(diǎn)的引入，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜多樣，無線鏈路大量增加，無線空間中可分配的資源呈現(xiàn)出多維的態(tài)勢，無線資源的多維性已經(jīng)超越了時間、頻率、碼字、功率的概念，并更多的涉及到了空間特性以及特定技術(shù)下的特定優(yōu)化機(jī)制。因此，如何設(shè)計(jì)具有較低復(fù)雜度的多維資源聯(lián)合優(yōu)化策略將

2、是學(xué)術(shù)界和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程面臨的重要挑戰(zhàn)，同時對于驗(yàn)證中繼系統(tǒng)的有效性，可靠性和魯棒性具有重要意義。
　　 基于最大化系統(tǒng)容量的優(yōu)化目標(biāo)，本論文從鏈路級和系統(tǒng)級的角度對兩跳中繼系統(tǒng)的多維資源分配算法進(jìn)行了討論，重點(diǎn)研究了正交頻分復(fù)用（OFDM）中繼系統(tǒng)的兩跳均衡策略，資源復(fù)用策略和資源調(diào)度策略。特別的，針對多入多出（MIMO）中繼系統(tǒng)，研究了基于空間特性和調(diào)度優(yōu)先級的多用戶分組策略。通過建模和仿真，驗(yàn)證了理論分析的正確性和提出方案的有

3、效性和可行性。
　　 首先，針對協(xié)作式“三點(diǎn)模型”的中繼系統(tǒng)，推導(dǎo)了在放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）模式和解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）模式下的最優(yōu)功率分配和最優(yōu)帶寬分配的閉式解，提出了功率/帶寬聯(lián)合優(yōu)化策略。其次，分析了協(xié)作式中繼系統(tǒng)在DF和壓縮轉(zhuǎn)發(fā)（CF）模式下的系統(tǒng)容量表達(dá)式，提出了功率/時隙聯(lián)合優(yōu)化的算法，比較了時隙、帶寬、功率這三者資源優(yōu)化的性能差別，并驗(yàn)證了多維資源優(yōu)化方案的優(yōu)越性。
　　 第二，針對OFDM中繼系統(tǒng)，首先從鏈路級的角度

4、提出了空域功率優(yōu)化，頻域功率優(yōu)化，以及空頻二維聯(lián)合優(yōu)化三種策略，分別推導(dǎo)了三種算法在AF，DF模式以及非分集和分集情況下的最優(yōu)閉式解。其次，提出了一種基于速率均衡的兩跳載波配對策略，該策略能廣泛地適用于各類中繼系統(tǒng)，其目的在于以實(shí)現(xiàn)多維資源聯(lián)合優(yōu)化。仿真表明多維資源聯(lián)合優(yōu)化能顯著提高系統(tǒng)容量，且兩跳載波配對策略能進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。
　　 第三，為提高系統(tǒng)資源利用率以滿足未來LTE-A系統(tǒng)的速率需求，從系統(tǒng)級的角度研究了適用于O

5、FDM中繼網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)內(nèi)資源復(fù)用策略。首先，研究了在無復(fù)用和全復(fù)用時中繼OFDM系統(tǒng)中的干擾分布，并分析了造成低SINR的原因。其次，基于部分復(fù)用與兩跳均衡思想，提出了一種基于資源重配的部分復(fù)用方案（PSR），并研究了其在每小區(qū)多中繼下的擴(kuò)展方案。研究表明PSR策略不僅能顯著地提升第二時隙直傳用戶的容量，還能提升后5％用戶的SINR，從而達(dá)到最大限度提升系統(tǒng)總?cè)萘康哪康摹?br>　　 第四，針對多小區(qū)OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)，研究了集中式，半分

6、布式，分布式三種調(diào)度機(jī)制。首先，為提高網(wǎng)絡(luò)中“饑餓”用戶的SINR性能，提出了基于饑餓抑制的貪婪輪詢，改進(jìn)型比例公平，和基于載波配對的兩跳均衡調(diào)度三種面向公平性的集中式方案。其次，基于減少中繼鏈路反饋量與兩跳均衡思想，提出了一種半分布式資源調(diào)度策略，該算法的性能優(yōu)勢體現(xiàn)在系統(tǒng)吞吐量和用戶滿意度上。第三，基于非合作博弈理論，提出了一種分布式的功率分配策略，證明了分布式算法存在并收斂于唯一的納什均衡點(diǎn)。仿真驗(yàn)證了所提方案的優(yōu)越性，并比較了集

7、中式，半分布式，分布式三類調(diào)度機(jī)制的優(yōu)劣。
　　 第五，結(jié)合空時碼技術(shù)（STBC），從鏈路級的角度討論了在單中繼和多中繼情況下的STBC-OFDM中繼系統(tǒng)的空域優(yōu)化，頻域優(yōu)化，以及空頻二維聯(lián)合優(yōu)化，并再次驗(yàn)證了融合兩跳載波配對的多維資源聯(lián)合優(yōu)化的優(yōu)越性。其次，基于多用戶MIMO-OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)，從系統(tǒng)級的角度提出了一種結(jié)合用戶空間特性和調(diào)度優(yōu)先級的用戶分組策略，該策略不僅復(fù)雜度小于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中的同類方案，并且能在系統(tǒng)容量