無線中繼系統(tǒng)的跨層設(shè)計(jì)、資源分配和天線選擇研究.pdf

1、無線中繼技術(shù)，已被用于Ad hoc/sensor網(wǎng)絡(luò)和無線mesh網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將被IEEE802標(biāo)準(zhǔn)組織納入802.11、802.15、802.16、802.22等標(biāo)準(zhǔn)，也是B3G/4G系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一，而OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）和MIMO（multiple input multiple output）是下一代無線通信系統(tǒng)物理層的核心技術(shù)，ARQ（automat

2、ic repeat request）協(xié)議是MAC（media access control）層提高傳輸可靠性的基本方法。因此，本文分別研究與截短ARQ、OFDM、MIMO相結(jié)合的中繼系統(tǒng)，通過跨層設(shè)計(jì)、資源分配優(yōu)化以及天線選擇技術(shù)，提高無線中繼系統(tǒng)的性能。 在中繼系統(tǒng)中，同一信息在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)被重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，在等長的時(shí)間內(nèi)發(fā)送新信息量只有直接傳輸系統(tǒng)的一半。本文采用自適應(yīng)技術(shù)提高傳輸速率，利用跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想和方法，研究基于截?cái)郃R

3、Q協(xié)議的中繼系統(tǒng)吞吐量最大化問題。其中，在理論上導(dǎo)出了系統(tǒng)吞吐量的表達(dá)式，揭示了數(shù)據(jù)包包長和調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響，隨后設(shè)計(jì)了最大化系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化算法。在算法設(shè)計(jì)方面，首先設(shè)計(jì)出尋找最合適數(shù)據(jù)包包長和調(diào)制方式的二維優(yōu)化算法，進(jìn)而設(shè)計(jì)出計(jì)算復(fù)雜度更低的基于信噪比的一維優(yōu)化算法。仿真結(jié)果證明了兩種算法的有效性。 在OFDM中繼系統(tǒng)中，資源分配的優(yōu)化是提高系統(tǒng)性能的重要手段。本文為此進(jìn)行了三方面的研究。第一，為優(yōu)化OFDM協(xié)作通

4、信系統(tǒng)的頻譜效率，本文將傳輸策略選擇與發(fā)射功率分配、子信道指配等資源分配方式相結(jié)合，提出了聯(lián)合資源分配迭代算法，并證明了算法的收斂性。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了簡化算法。仿真結(jié)果表明，本文的資源分配迭代方案和簡化方案的頻譜效率均優(yōu)于已有的兩種資源分配方案。第二，分別在理想反饋和反饋速率有限的條件下，通過功率分配實(shí)現(xiàn)解碼轉(zhuǎn)發(fā)OFDM中繼系統(tǒng)頻譜效率的最大化。在理想反饋條件下，發(fā)射機(jī)能夠獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，本文導(dǎo)出了最優(yōu)的迭代功率分配

5、算法。在反饋速率有限的條件下，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)完整的信道狀態(tài)信息為源和中繼的發(fā)射機(jī)在一個(gè)有限長度的功率分配表中選取功率分配矢量，并把選擇結(jié)果反饋給源和中繼，本文說明了設(shè)計(jì)功率分配表的方法。仿真結(jié)果表明，與沒有反饋信息的平均功率分配策略相比，即使少量的反饋信息就能取得頻譜效率的增益；隨著反饋信息量的增加，頻譜效率逐漸逼近理想反饋時(shí)的系統(tǒng)性能。第三，針對(duì)半雙工OFDMA（orthogonal frequency division multipl

6、e access）中繼網(wǎng)絡(luò)，通過動(dòng)態(tài)子信道分配、自適應(yīng)功率分配、傳輸策略選擇和中繼選擇的聯(lián)合優(yōu)化，最大化用戶的總效用。為了公平利用中繼用戶的資源，把中繼用戶所能幫助的最大子信道數(shù)和分配給每個(gè)子信道的功率設(shè)為常量。在此基礎(chǔ)上使用貪婪算法解決資源分配問題。仿真結(jié)果表明，該算法改善了用戶間的公平性，能高效地利用資源。 在MIMO中繼系統(tǒng)中，天線選擇可以取得系統(tǒng)成本和性能的折中。在基于空時(shí)復(fù)用的MIMO中繼系統(tǒng)中，為了避免最優(yōu)算法——窮

7、搜索的高復(fù)雜度，本文分別為源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)提出了快速天線選擇算法，其中，算法設(shè)計(jì)的目標(biāo)是最大化系統(tǒng)容量，所有算法都是根據(jù)矩陣行列式、逆矩陣的性質(zhì)導(dǎo)出的遞增算法。本文給出了算法的詳細(xì)推導(dǎo)過程。仿真結(jié)果表明本文提出的快速遞增算法在復(fù)雜度大大降低的同時(shí)，其中斷容量性能與最優(yōu)算法的性能很接近。另外，在基于Alamouti策略的MIMO中繼系統(tǒng)中，本文分析了幾種天線選擇策略的中斷概率，進(jìn)而得到該系統(tǒng)的分集性能，表明天線選擇能夠取得全分集