多信道無線中繼系統(tǒng)中的資源聯(lián)合優(yōu)化算法研究.pdf

1、近幾十年來，無線通信一直是通信研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。為了滿足人們對(duì)無線通信服務(wù)質(zhì)量的要求和擴(kuò)大無線服務(wù)范圍，工程人員設(shè)計(jì)了如Ad-hoc(自組網(wǎng)),mesh(網(wǎng)格網(wǎng))這類基于中斷的無線網(wǎng)絡(luò)。為了減少成本，同時(shí)擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和增加系統(tǒng)的吞吐量，中繼已經(jīng)成為4G(fourth generation)通信標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重要特性。同時(shí)為了消除寬帶通信中的頻率選擇性衰落的影響，正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)也被4G無線通信標(biāo)準(zhǔn)所采用。

2、>　　 盡管不斷有新的技術(shù)產(chǎn)生，有限的資源，如發(fā)送功率，子信道，帶寬等，與人們對(duì)無線服務(wù)質(zhì)量要求的不斷增強(qiáng)，如實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議，實(shí)時(shí)的在線游戲等，始終是一對(duì)矛盾體。作為有效緩解這對(duì)矛盾的方法，資源分配算法設(shè)計(jì)一直以來是科學(xué)家和工程師們研究的熱點(diǎn)。優(yōu)化的資源分配算法可以有效的提高資源利用率，并且同時(shí)滿足人們對(duì)無線服務(wù)質(zhì)量的要求。而在4G標(biāo)準(zhǔn)中引入中繼和OFDM調(diào)制方式使得聯(lián)合資源優(yōu)化分配算法的設(shè)計(jì)變的更為復(fù)雜。與傳統(tǒng)的單跳系統(tǒng)不同，在多信

3、道多中繼系統(tǒng)中設(shè)計(jì)聯(lián)合資源分配優(yōu)化算法時(shí)，不但要考慮功率和子信道的分配，同時(shí)還要考慮中繼選擇和子信道配對(duì)方案。所謂的子信道配對(duì)是指，當(dāng)在一跳中數(shù)據(jù)在某一條子信道上進(jìn)行傳輸，則在第二跳中中繼需要選擇一個(gè)相應(yīng)的子信道來完成該數(shù)據(jù)從中繼到目的地的傳輸。聯(lián)合考慮功率，子信道分配，中繼選擇和子信道配對(duì)進(jìn)行資源分配優(yōu)化算法設(shè)計(jì)是該論文的主要研究方向之一。
　　 另外大部分文章在研究中繼系統(tǒng)中的資源分配算法時(shí)，建立的是確定性的模型，也就是在每

4、個(gè)時(shí)隙都滿足用戶的一定服務(wù)質(zhì)量要求。當(dāng)然這種模型是符合實(shí)時(shí)用戶的實(shí)際需求的。但是當(dāng)用戶的需求是非實(shí)時(shí)的時(shí)候，如email, FTP等文件傳輸服務(wù)，我們只需要在一定誤碼率的限制條件下，滿足用戶的平均傳輸速率即可。在多信道中繼系統(tǒng)，針對(duì)非實(shí)時(shí)用戶的資源分配算法和實(shí)時(shí)用戶的資源分配算法應(yīng)該有所不同。這就是隨機(jī)優(yōu)化模型和確定性優(yōu)化模型的區(qū)別，這也將是本文研究的重點(diǎn)之一。
　　 在單跳系統(tǒng)中，通常利用頻率復(fù)用的方法來提高頻譜利用率。但是在

5、利用頻率復(fù)用的同時(shí)也會(huì)引起小區(qū)間的干擾(ICI)。功率控制是減少干擾對(duì)系統(tǒng)整體性能所帶來影響的方法之一。與傳統(tǒng)的無中繼系統(tǒng)相比，中繼的引入使得利用功率控制進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)變得更為復(fù)雜。由中繼站服務(wù)用戶的性能不但與其它與其使用相同頻段的用戶性能相關(guān)，而且與時(shí)間相關(guān)，因?yàn)槠湫阅苁墙?jīng)過兩跳（兩個(gè)時(shí)隙）才能確定下來。另外如果在小區(qū)內(nèi)引入中繼站，則會(huì)同時(shí)帶來小區(qū)內(nèi)干擾(ITCI)，這是因?yàn)樵谕恍^(qū)內(nèi)的兩個(gè)由不同中繼站服務(wù)的用戶可能會(huì)使用相同的頻率來

6、獲得服務(wù)。如何在多小區(qū)，多中繼，多信道的系統(tǒng)中利用功控進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)也是本文研究的重點(diǎn)之一。
　　 本文是以多信道，無線中繼系統(tǒng)為背景而展開的。首先，在第二章中，研究了在多AF（放大前向）中繼，多信道的系統(tǒng)中，如何設(shè)計(jì)最優(yōu)的聯(lián)合功率分配，子信道分配，中繼選擇和子信道配對(duì)算法。由于最優(yōu)算法是以在基站和中繼站均已知在各個(gè)子信道上信道狀態(tài)為前提的，并且該算法是中心式的，為了更好的適應(yīng)實(shí)際情況，在本文中我們將該中心式算法擴(kuò)展為已知部分子信

7、道狀態(tài)信息的分布式算法。在該模型下我們并沒有考慮用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求，所以在第三章，我們分別根據(jù)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)用戶的服務(wù)要求特點(diǎn)，建立了確定性模型和隨機(jī)模型。在確定性模型中我們利用拉格朗日對(duì)偶的方法和匈牙利算法推導(dǎo)出最優(yōu)算法。在隨機(jī)模型中，利用隨機(jī)逼近的方法我們推導(dǎo)出最優(yōu)的算法。與確定性模型中的最優(yōu)算法相比，該算法可以利用多用戶分集來提升系統(tǒng)性能。最后在第四章中，我們考慮在多小區(qū)，多信道的中繼系統(tǒng)中如何利用功率控制來進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)，從而提升