（通信与信息系统专业论文）twoway中继系统中的资源分配算法及优化设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 相对于o n e - w a y 中继，t w o - w a y 在系统总速率、中断概率等恒量系统性能的指 标上有着较高的提升，故其受到了广泛的关注。在资源日益稀缺的今天，对资源进 行优化分配也是研究领域的重中之重。在t w o w a y 中继网络中，如何以不同系统性 能作为优化目标对资源进行优化分配具有重要的意义。 本文以t w o - w a y a f 中继网络为研究对象，以系统总速率、中断概率为性能指 标，以提升系统性能为目的，以资源优化分配作为手段，对t w o - w a ya f 中继网络 中最大化系统总速率、最小化系统中断概率以及保证系统中断概率前提下最小化系 统总功率消耗的资源优化分配方案进行了研究。 本论文首先针对t w o - w a y 多中继协同网络中的中继选择方法进行了一定的探 讨，并联合考虑中继节点处的接收信噪比和中继节点到目的节点间的信道增益，提 出了最优中继选择方案。之后，建立了t w o - w a y a f 中继网络中基于公平性的优化 功率分配模型，并获得最优功率分配解决方案，最终通过仿真验证此功率分配方案 在提升系统总速率上的优越性。 其次，在获得上述优化模型优化解的基础上，进一步对t w o - w a ya f 中继网络 中的功率分配方案进行深入研究。由于基于公平性的功率分配方案在顾及公平性的 同时，会牺牲一定的系统总速率，为将系统总速率提升至最高，在之后的研究中建 立了基于信道增益差异的优化功率分配模型，鉴于模型求解的复杂性，通过提出一 种迭代算法求出了此模型的近似最优解，达到最大化总速率的目的。 随后，在t w o - w a ya f 中继系统中，本论文对t w o - w a ya f 中继网络的中断概 率闭合表达式进行详细推导。在此基础上，建立以最小化中断概率为目的，系统总 功率受限条件下的优化模型，通过论证优化模型为凸优化问题，使用凸优化模型的 经典解法一拉格朗日乘子法，对优化模型进行数学求解，并获得最佳功率分配解 决方案。 最后的研究中，同样以t w o w a y a f 中继网络为研究场景，在保证系统中断概 率取值满足用户需求的条件下，以最小化总功率消耗为目的，建立优化功率分配模 型。在证明此优化模型同样为凸优化问题之后，对优化模型进行求解，得到最小化 系统功率消耗条件下的优化功率分配方案。 关键词：t w o - w a y 中继，功率，总速率，中断概率，优化分配 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t l lo n e - w a yr e l a y , t w o - w a yr e l a yi m p r o v e dt h ei n d i c a t o r so fs y s t e m p e r f o r m a n c es u c ha st o t a lr a t ea n do u t a g ep r o b a b i l i t y , s oi tg o tal o to fa t t e n t i o n t o d a y , b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g l ys c a r c er e s o u r c e ，w en e e dt op a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e o p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o n i nt h er e s e a r c hf i e l d i n t w o - w a yr e l a yn e t w o r k , i t s e x t r e m e l yi m p o r t a n tt oa l l o c a t i o nr e s o u r c e si na l lo p t i m a lw a yw i t hd i f f e r e n t i n d i c a t o r so f s y s t e m w et a k et h et w o - w a ya fr e l a yn e t w o r ka so u rr e s e a r c ho b j e c lo t a lr a t eo ft h e s y s t e ma n do u t a g ep r o b a b i l i t ya ss y s t e m sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r , i m p r o v i n gs y s t e m p e r f o r m a n c ea st a r g e t ，o p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o na sm e a s u r e w er e s e a r c ht h et h r e e o p t i m a ls c h e m ea b o u tm a x i m i z i n g t o t a lr a t e ，m i n i m i z i n gs y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t ya n d m j 枷z i n gt o t a lp o w e rc o n s u m p t i o nu n d e r t h ec o n d i t i o nt h a ts y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t y i sar a t e dv a l u ei nt w o - w a yr e l a yn e t w o r k t h i sa r t i c l ef i r s td i s c u s sr e l a ys e l e c t i o nm e t h o di nt w o - w a ym u l t i r e l a yc o o p e r a t i v e n e t w o r k t h i sa r t i c l e rp r o p o s e dt h eb e s ts e l e c t i o ns c h e m et h r o u 曲j o i n tc o n s i d e r i n gt h e r e c e i v es n r ( s i g n a ln o i s er a t e ) a tt h er e l a yn o d ea n dt h ec h a n n e lg a i nb e t w e e nr e l a ya n d d e s t i n a t i o nn o d e b a s e do nf a i r n e s s ，w ee s t a b l i s ho p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o nm o d e li n t w o w a ya fr e l a ys y s t e ma n dg e tt h eo p t i m a ls o l u t i o n f i n a l l y , w ep r o v et h i ss c h e m e s s u p e r i o r i t ya c c o r d i n gt os i m u l a t i o n s e c o n d l y , b a s e do nt h ea b o v es c h e m e ，w ed e 印l yr e s e a r c hp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e s i nt w o - w a ya fr e l a yn e t w o r k b e c a u s et h eo p a - fd e c r e a s et h et o t a lr a t eo fs y s t e mw h e n i tp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ef a i r n e s s ，i no r d e rt om a x i m i z et ot o t a lr a t e ，w ee s t a b l i s h o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o nm o d e lb a s e do nt h ed i f f e r e n c e so fc h a n n e lg a i n 0i n t h e f o l l o w i n gs t u d y b e c a u s ei t se x t r e m e l yt os o l v et h i sm o d e l ，w ep r o p o s ea nf f e r a t i v e a l g o r i t h mt oo b t a i na p p r o x i m a t eo p t i m a ls o l u t i o no f t h i sm o d e l ，t oa c h i e v et h ep u r p o s eo f m a x i m i z i n gt o t a lr a t e i nt h ef o l l o w i n gs t u d y , w ed e r i v et h ec l o s ef o r mo fo u t a g ep r o b a b i l i t yi nd e t a i l t h e n ， u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt o t a lp o w e ri sl i m i t e d , w ee s t a b l i s ha i lo p t i m a lm o d e lt o m i n i m i z et h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo ft h es y s t e m b yp r o v i n gt h eo p t i m a lm o d e li sac o n v e x o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，w e u s et h ec l a s s i c a lm e t h o d - - l a g r a n g em u l t i p l i e rm e t h o dt os o l v e t h eo p t i m a lp r o b l e m ，a n dg e tt h eb e s to p t i m a ls o l u t i o n i nt h ef i n a ls t u d y , s i m i l a r l y , i nt h et w o - w a ya f r e l a yn e t w o r k , u n d e rt h ec o n d i t i o n t h a ts y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t yv a l u em e e t sc u s t o m e r s n e e d s ，w ee s t a b l i s ha n o t h e r n 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t o p t i m a lm o d e lt om i n i m i z et h et o t a lp o w e rc o n s u m p t i o n a f t e rp r o v i n gt h eo p t i m a l m o d e li sa l lc o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，w es o l v et h eo p t i m a lm o d e la n df i n a l l yg e tt h e o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g y k e yw o r d s ：t w o w a yr e l a y ；p o w e r ；t o t a lr a t e ；o u t a g ep r o b a b i l i t y ；o p t i m a l a l l o c a t i o n i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 时至今日，移动通信已走过一百多年的历程。1 8 9 7 年，意大利科学家m g 马 可尼在固定站与一艘拖船之间完成了人类历史上第一次无线通信试验。早期的移动 通信系统在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个 覆盖地区。这种系统的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远 远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。如2 0 世纪7 0 年代于美国纽约市开通的 i m t s ( i m p r o v e dm o b i l et e l e p h o n es e r v i c e ) 系统，仅能提供1 2 对信道，如若网络 中同时出现第1 3 对用户要求通话时，就会发生阻塞【l 】。 蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域，即小区。各小区均用 小功率的发射机进行覆盖，许多小区像监察一样能布满任意形状的服务地区。如图 1 1 如示。 图1 1 蜂窝通信小区结构示意图 以f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术为代表的第一代移动通 信系统采用模拟调制技术，只提供单一的语音通话业务，速率为9 6 k b p s 。与传统 固定通信模式相比，第一代移动通信系统的最大贡献体现在移动性上，同时该系统 采用了蜂窝结构，重复利用有限的频谱资源，实现了区域覆盖。但由于采用了模拟 语音传输方式，第一代移动通信系统的终端设备简单、功能较少，同时还有保密性 差，通话质量低，业务种类单一等缺点。 随着客观需求的不断增长及技术革新，特别是数字信号处理技术的蓬勃发展以 及集成电路技术的成功应用，人类迎来了第二代移动通信系统。该系统采用时分多 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 址( t d m a ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 和窄带码分多址甜c d m a ： n a r r o w b a n d - c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 技术为主要接入技术，数据传输速率由 以前的9 6 k b p s 提高到几百k b p s ，可以支持话音业务和低速的数据业务。以 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 、i s 5 4 、i s 9 5 等为代表的第二代移 动通信系统最大的突破在于将蜂窝通信系统从模拟蜂窝系统发展为数字蜂窝系统。 和模拟系统相比，数字系统具有更为明显的优点：频谱利用率高，系统容量大；用 户信息传输时的保密性好；数字无线传输能提高抗信道衰落能力，除了分集接收外， 还可采用扩倒b 频、交织编码、自适应均衡、纠错编码等技术，无线传输的质量高， 话音质量更好。在业务支持上，不但能提供质量更高的语音通话业务，同时还能提 供数据、图像等多种服务。 业务多样化、宽带化是对数字通信的要求。尽管第二代数字蜂窝系统能提供多 种业务，但数据、话音和图像等综合业务的能力是有限的。另一方面，移动用户的 迅速增加对第二代蜂窝移动通信的容量也提出了挑战。各国专家早在2 0 世纪8 0 年 代中期就已经在理论研究、标准制定和技术开发等领域开展了相关工作。3 g 与2 g 的区别在于传输语音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线 漫游，并能够同时处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、 电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容 性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，在室内、室 外和行车的环境中能够分别支持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度。 2 0 0 0 年5 月，国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准，我国提交的t d s c d m a 正式成为国际标准，与欧洲w c d m a 、美国c d m a 2 0 0 0 成为3 g 时代最主流的三 大技术之一。2 0 0 8 年1 2 月3 1 日，国务院常务会议通过决议，同意启动3 g 牌照发 放工作，标志着在我国，3 g 正式进入商用阶段。 宜未雨而绸缪，毋临渴而掘井。无论是在技术上、产业上，3 g 系统都取得了 空前的成功。然而，就如同2 g 取代1 g ，2 g 发展到3 g 一样，从长远看来，客观 需求必然推动3 g 系统向前发展，l t e ( l o n gt i m ee v o l u t i o n ) 便是3 g 系统继续向前 发展的必然产物。l t e a d v a n c e d 的相关技术正在如火如荼的讨论之中。l t e - a 系 统提出下行峰值速率超过1 g b i t s 和上行峰值速率超过5 0 0 m b i t s 的性能要求。为了 达到此要求，l t e - a 拟引入载波聚合、多用户m i m o ( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ) 、多点协同传输c o m p ( c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n t ) 、中继r n ( r e l a y - n o d e ) 等技 术以求获得更高的频谱效率和吞吐率。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 中继系统 图1 2 中继网络架构图( 下行传输模式) 中继系统网络架构如图1 2 所示。相对于传统的直传工作模式，中继系统的网 络结构中增加了新的构成单元中继。除开传统的点对点通信模式，基站与用户 之间的信息还可以通过中继进行转发。 从图1 2 中可以看出，对于距离基站较近，信号质量较好，信号强度较高的用 户，可按照传统通信模式，直接与基站进行数据交换。而对于处于小区边缘，或是 信号质量较差，信号强度较弱的用户，则可以通过请求中继节点的帮助，让中继节 点对信息转发信息以加强信号强度。 1 2 1 中继的优势 引入中继技术后宽带无线通信的组网方式与传统的无线接入最大的差异就是 接入方式的多样性。移动终端可以直接通过中继站接入无线网络，也可以在中继站 的协作下通过基站接入无线网络。作为一种能有效改善网络覆盖质量的技术，无线 中继技术为在高频段实现宽带无线接入提供了一种高性价比的解决方案。概括来 说，中继系统作为一种新型组网技术具有以下优势： ( 1 ) 扩大小区覆盖面积，为小区中阴影衰落严重的地区以及覆盖的死角提供服 务信号； 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 中继设备的复杂度远低于基站，因此利用中继进行小区覆盖的成本相对较 低。 ( 3 ) 多个中继可以同时使用相同的时隙和频谱资源，从而节省资源； ( 4 ) 多个中继间可以利用空间分集提高系统传输容量； ( 5 ) 中继系统可以不必对现在网络进行太大的改动，可实现与现有通信网络的 平滑过渡。 1 2 2 信号转发方式 中继对信号的主要转发分为两种方式：放大重传a f ( a m p l i f y - a n d f o r w a r d ) 和 编码重传d f ( d e c o d e a n d f o r w a r d ) 。 以下行传输为例，在第一时隙内，基站将信息传送给中继节点，由于无线通信 传播信道的特性，会对信号造成一定程度上的衰落。中继节点接收到信息之后，将 接收到的信息进行放大，以恢复原始信号的强度。在第二时隙内将放大后的信息传 送给用户。a f 转发模式操作较为简单，但由于其只是对接收信号进行简单放大， 故在放大信息的同时，也会放大噪声，容易造成信号失真，使得目的端出现差错的 可能性增大。 相对于a f 转发模式，d f 的操作稍显复杂。同样在第一时隙内基站将信息传送 给中继节点，在接收到信息后，中继节点首先对其进行解码，恢复出原始信号之后 对其进行再次编码，并在第二时隙内进行传送。由于d f 转发模式在操作过程中多 进行了一次编解码操作，故而其能够提供更高的通信质量。 两种信息转发方式各有利弊，文献 2 】对a f 和d f 的性能进行了综合比较。通 过研究表明：两种模式的性能增益很大程度上取决于中继所处的具体位置：如若中 继节点比较靠近源节点，d f 模式的性能则要优于a f 模式：反之，如果中继节点 比较靠近目的端，a f 的性能将优于d f 。普遍来说，d f 对源节点至中继节点间信 道的要求偏高。 除上述提到的两种方式之外，中继节点对信号的转方式还有 c f ( c o m p r e s s a n d - f o r w a r d ) ，d e m f ( d e m o d u l a t e a n d f o r w a r d ) 等。 1 2 3 研究热点 作为未来移动通信系统中一种非常具有前途的技术，中继得到了许多研究学者 的关注。主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 针对系统容量、中断概率、误码率方面的研究。文献 3 d pl a n e m a n 等人对 低复杂性的协同分集协议即a f 和d f 两种模式分别进行了研究，并以中断概率为 研究方向对系统的性能特征进行了分析，为后来者对中继系统进行研究打下了基 础。文献【4 的分析环境则是多用户，多中继协同网络。作者首先分析了多中继协作 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 网络中，以中断概率和误比特率为恒量指标，对多用户分集时的系统性能进行了研 究。文献 5 】分析t - - 个节点无线中继系统中，系统信道容量的计算方式。并深入分 析了中继节点的不同摆放位置对信道容量的影响。最终通过研究得到如下结论：在 系统参数取值不同时，无线中继信道的容量共有3 种可能的取值方式。在确定了无 线中继信道的取值特点之后，又给出了一个数值例子来验证分析的正确性。 ( 2 ) 针对功率分配方案的研究。文献 6 】中，作者研究了a f 模式下的分布式功率 分配策略。此策略中，在未知中继到目的节点的即时c s i 的情况下，由源节点来决 定传输功率和中继转发的门限，随后又由中继根据其自身的c s i 来决定是否传送信 息。这里的c s l 只是部分可知。在此文中，功率分配的目的是对于目的节点处给定 某个中断概率值，要使发射功率的总值达到最小。文献 7 的作者分别根据完全信道 状态信息及信道统计特性，以最小化中断概率为目的，分别提出了两种功率分配策 略。并在此后论证了这两种功率分配策略在最小化中断概率的同时，还能降低系统 的误比特率。之后提出一种优化中继选择方案。在文章的最后，为了获得更多的性 能增益，将功率分配与中继选择进行了联合优化。 ( 3 ) 针对跨层资源分配的研究。文献【8 通过推导协作中继传输系统的误符号率， 提出了最佳协作中继的选择准则。并结合跨层协作的思想给出了基于m a c 层来实 现最佳协作中继选择的分布式协议。同时提出了协作分集系统的物理层传输方案， 分析了瑞利衰落信道环境下所提方案的系统性能，得到了系统误比特率的闭式解。 ( 4 ) 针对中继选择方法的研究。文献 9 提出动态网络环境中协作中继的最佳选 择准则，在此基础上给出最佳协作中继的分布式选择协议。根据协作中继与源节点 间的无线信道质量，进一步提出一种自适应协作传输方案，以有效抵抗多用户网络 环境中的无线衰落。此外，对自适应协作传输方案的误码性能，在瑞利衰落信道下 进行相应的理论分析，得到了系统误比特率的解析表达式。随后，作者又在文献 1 0 】 中研究了在所有中继节点中任选一个节点作为中继节点的协作分集方法，推导了这 种协作分集方法中断概率的上界和下界。 除上述提到的几个主要研究热点，各国学者对协同中继的研究还包括：网络编 码、资源调度、认知中继等方向。 1 3 t w o w a y 中继 在发送端和接收端之间加入中继可以达到扩大通信范围，提高系统容量等目 的。然而，上述o n e - w a y 中继仅单独针对下行或上行链路，即只考虑了由源节点将 数据发送给中继，然后再由中继通过一定的转发方式将数据传送给目的节点。或是 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 相反过程。在这种工作模式下，由于增加了源节点到中继节点，以及中继节点到目 的节点之间的链路，所以系统容量得到了一定的提升。中继的引入同时也保证了系 统误码率，误符号率等性能指标的改善。 然而，o n e w a y 中继系统中的所有节点都是工作在半双工模式，即不论是源节 点，中继节点还是目的节点，在接收信息的同时都不能再发送信息，这样的工作方 式使得o n e w a y 中继在频谱使用效率方面稍显不足。在追求最大化中继系统容量的 背景下，t w o w a y 中继应运而生。与o n e - w a y 中继相比，t w o - w a y 中继最大的不同 在于中继节点在接收某个节点传送的信息时，同时还在接收这个节点所对应的目的 节点的信息。在转发信息方面，t w o w a y 中继采取广播的方式，将编码后的信号广 播至各节点。 时隙1 h g 时隙2 “一 图1 3t w o - w a y 中继系统工作模式 图1 3 所示为t w o - w a y 中继的工作模式。整个信息交互的过程在两个时隙内 进行。在第一时隙内，t 1 和t 2 两个终端节点同时将数据发送给中继节点t 3 ，t 3 在接收到信息后，首先对接收到的信息进行编码；随后在第二个时隙内将编码之后 的信号进行广播，传送给两个目的节点。t 1 和t 2 接收到编码的信息后，将其与之 前发送的信息进行解码，便可获得对方目的节点所传送的信息。与o n e - w a y 系统相 同的是，在t w o w a y 中继系统中，两个目的节点以及中继节点的工作方式仍然为半 双工。 1 3 1 研究热点 由于t w o - w a y 中继在系统容量上无与伦比的优势，许多研究人员对其进行了 深入的研究，研究热点集中于： ( 1 ) 功率分配。文献 1 l 】在使用网络编码( p h y s i c a l - l a y e rn e t w o r kc o d i n g ) 的前提下， 提出了t w o w a yd f 中继模式下的优化功率分配策略以提高系统的容量。文献 1 2 之前的研究前提均是各节点之间是等距离的拓扑结构，然而，在实际操作环境中， 这种等距离的拓扑结构几乎不可能存在。在非等距离拓扑结构中，由于信噪比不均 带来的瓶颈效应会导致端到端之间网络容量的急剧下降。此外，在高信噪比的情况 下，来自多跳中继网络中其他节点的干扰也会导致网络容量的降低。文献 1 2 】中， 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 在m i m ot w o - w a y 中继网络中的非等距离拓扑结构的背景下，作者用三种不同的 传输功率分配方式来平衡每一条链路间的s i n r 以及最大化网络容量。文献 1 3 】在 t w o w a y d f 中继网络中对物理层网络编码进行了研究以获得最小传输功率总消耗 ( m i n i m u mp o w e rc o n s u m p t i o nm a c ) 。在瑞利衰落信道中，基于对中断概率门限的 限制，获得了最小传输功率总消耗及各个节点上的分配功率。通过仿真论证，在同 样的中断概率门限要求下，相对于现存未使用物理层网络编码的功率分配策略， m p c 策略能更进一步的节省总功率损耗。 ( 2 ) 与m i m o 的结合。在文献 1 4 】的研究场景中，作者假设在两个终端节点配备 相同数目的天线，同时保证在中继节点处配置的天线数量最低不少于终端节点点处 天线数量的两倍的网络环境中，作者对m i m ot w o w a y 网络的网络性能进行了详 细分析，并证明了m i m ot w o w a y 的优越性。文献 1 5 】在非在生m i m ot w o w a y 中继网络中，对两个具体研究方面进行了优化。首先，作者对源节点的协方差矩阵 进行了优化，并通过注水算法获得最优解。其次，又对中继传输矩阵进行了优化， 通过文献 1 5 所提出的两种算法获得最优解，属于迭代加权m m s e 均等化的范畴。 此算法在求解结果无法达到最优时，相对于混合梯度优化，可更为快速的求解到收 敛点。 ( 3 ) n 络编码。文献 1 6 】通过使用模拟网络编码a n c ( a n a l o g u en e t w o r kc o d i n g ) ， 使得两个终端节点能够在接收信号中过滤掉“自干扰”信号。在两个终端节点配备 一根天线，中继节点配备多根天线的前提下，在满足中继节点采用线性信号处理的 条件下，作者分析了基于a n c 的t w o w a y 中继系统的容量取值域。此外，作者还 提出一种优化中继波束赋形结构和优化算法用于计算基于凸优化的优化波束赋形 矩阵。 1 7 】的作者对物理层网络编码p n c 作出了确切的定义。在p n ct w o w a y 中继 网络中，中继节点并不单独对来自目的节点的两路信号进行解码，而是直接对需要 转发的混合信号进行映射。基于不同的映射函数，将p n c 更进一步的分为两个子 类：有限域上的p n c p n c f ( p n c o v e rf i n i t ef i e l d ) 和无限域上的p n c - - p n c i ( p n c o v e ri n f i n i t ef i e l d ) 。对于p n c f 和p n c i ，作者均在映射过程中考虑了两种估测技术 来对干扰噪声进行处理。 ( 4 ) 信道检测与o f d m 的结合。为了进行信道估测，文献 1 8 】提出一种与两步传 输策略相匹配的两步训练协议。在第一阶段内，两个源节点将其独立的训练序列分 别传送给中继，第二阶段内，中继将接收到的训练序列进行放大并进行广播。在两 个源节点，作者提出了两种不同类型的训练序列。同时还提出了对应的信道估测算 法。对于第一类基于时钟的训练序列，首先对源一中继源的级联信道进行估测， 随后设计相对应的算法对级联信道进行分离，从而获得了每个源节点到中断节点间 的独立信道估测值。对于第二类基于先导子载波p t ( p i l o t - t o n e ) 的训练序列，设计的 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 算法思路则是独立获取各个信道的估测值。 ( 5 ) 波束赋形与功率控制。文献 1 9 1 在多用户m i m ot w o - w a y 中继网络中，提出 了一种中继收发流程。基于z f ( z e r o f o r c i n g ) 准则和最小均方误差m m s e ( m i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ) 准则，在中继节点功率受限的条件下，对中继流程进行了优化。 在发送和接收端，以系统平均s n r ( s i n g a l n o i s er a t e ) ，总速率和误比特率b e r ( b i t e r r o rr a t e ) 作为参考标准，对几种波束赋形方法进行了比较，如天线选择，随机波 束赋形及改进等增益波束赋形等。为了最大化系统的信噪比及在所有用户之间实现 公平性，设计了一种本地及全局功率受限方案。最后通过大量仿真论证此方案能够 有效的消除同道干扰c c i ( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 以及白干扰s i ( s e l f - i n t e r f e r e n c e ) 。 2 0 】中，为了优化收发功率，同时也是为了优化波束赋形因子，该文对两个方面的 问题进行了深入研究。首先，在收发两端接收信噪比受限的约束条件下，最小化了 系统总传输功率开销。通过迭代算法，获得了优化权重因子的最优值。进一步，研 究了一种信噪比均衡技术。在这种均衡技术中，当系统的总功率被限制为某一特定 取值时，目的是最大化两个源节点间信噪比较小的一个。对于两种策略，均获得了 在分布式功率分配策略中，使用波束赋形时的最佳波束赋形因子。 ( 6 ) 不完全信道状态信息时的情况。文献 2 l 】在m i m oa ft w o w a y 中继网络中 分析了导频辅助信道。作者使用线性最小均方值估测因子对每一个通信终端处的信 道进行了估测。通过“极差情形噪声 的概念，获得了总速率的取值下限。文献 2 2 】 同样在m i m o a ft w o - w a y 中继网络中，对信道估测误差进行了研究。通过终端处 发送训练序列从而获取对信道的估测值。此文同时使用l m m s e ( l i n e a rm i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ) 对混合信道及独立信道进行了分析。通过分析表明，在天线阵列 中导频信号是完全正交的，同时还证明了此种情形下，终端节点最小化了均方误差。 ( 7 ) 与认知无线电的接合。出于对频谱实现最大限度利用的思考，认知无线电已 经成为时下的一个研究热点方向。文献 2 3 对由两个主用户及多个认知终端构成的 t w o w a y 认知中继网络进行了研究。在此网络中，两个主用户将信息传递至能够感 知频谱的认知终端。并假定当主用户工作时，认知终端就以中继的角色通过波束赋 形因子对接收信号进行复用，同时将信号转发到另一主用户。当主用户处于空闲状 态时，认知终端通过基站进行通信以增加整个系统的总吞吐量。基于以上假设，作 者对优化波束赋形权重因子进行了深入探讨。在与上文同样的网络环境中，文献 2 4 】 的作者提出一种新型频谱共享协议，此协议的核心思想为从用户首先通过d f 的方 式获得频谱共享，然后再对主用户传送的信息进行网络编码。在后续的研究当中， 作者还推导了在使用此协议时主用户与从用户系统各自的系统中断概率。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 2 存在的问题 上述文献从各个方面对t w o w a y 中继网络进行了深入的分析，并取得了许多卓 有成效的研究成果。然而，t w o - w a y 中继网络知识覆盖面较大，目前仍有一些问题 尚待更进一步的研究： ( 1 ) 鲜有关于跨层资源分配方面的探讨。跨层设计的目的是突破目前层间传输的 固定模式，以期最大限度的利用无线资源，。文献 2 5 】提出了o n e - w a y 中继网络中 的跨层优化设计方案。此文所提出的分布式算法包含了每条链路中的最佳中继选择 的全局优化解及物理层上的功率分配问题。此文所提出的跨层设计方案可以最大化 功率的利用率，或是在保证系统q o s 的前提下，最小化系统的功率开销。然而，直 到目前为止，针对t w o w a y 中继网络中跨层资源优化分配的研究却寥寥无几。 ( 2 ) 没有将t w o - w a y 中继结合具体的实验平台进行性能分析。文献 2 6 】使用 u s r p ( u n i v e r s a ls o f t w a r er a d i op e r i p h e r a l ) 板搭建了相应的实验平台，以频谱感知作 为主要研究点，联合使用数字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 及网络编码两 种技术手段，证明了此实验平台在认知无线电中的实际可操作性。基于此前针对中 继系统的研究均是从理论分析着手这一出发点，文献 2 7 】在g n u ( g n u sn o tu n i x ) r a d i o 及u s r p 平台基础上建立了实际的协作通信测试床，综合考虑单中继及多中 继两种情况，对协作通信中的各种协同传输协议进行了实际的性能分析，并最终论 证，相对于传统端到端之间的通信方式，协作传输方式确实能给系统性能带来很大 的增益。 ( 3 ) 未对存在干扰的情况进行分析。目前针对t w o - w a y 中继系统的研究，均假设 系统中不存在直传情况，即网络中只存在源到中继再到目的节点的链路，不存在两 个目的节点之间的直传链路。这种分析方法虽然比较方便，但在实际通信系统中， 目的节点不可避免的会接收到来自源节点的信息，故而在以后的深入研究中，应将 存在直传的情况加入讨论。 综上所述，目前针对t w o - w a y 中继的研究还处于初级阶段，许多问题有待更 进一步的探索。 1 4 主要研究内容和结构 为了解决t w o w a y 中继系统中功率优化分配的相关问题，实现对有限资源的最 大化利用，建立合理、高效的资源分配优化模型是极需解决的关键问题。本课题以 国家科技重大专项课题子课题：i m t - a d v a n c e d 新型无线网络技术研发( 项目编号： 2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 0 0 5 ) 、国家自然科学基金“协同中继系统跨层资源分配与优化调度的 9 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 理论及方法 ( 6 0 9 7 2 0 7 0 ) 、重庆市自然科学基金重点项目“协同无线通信理论与资 源分配关键技术研究( c s t c 2 0 0 9 b a 2 0 9 0 ) 为依托，同时根据已发表的3 篇论文 及已录取的1 篇论文整理而成，主要研究内容包括： ( 1 ) 在t w o w a y 中继系统中，为了实现对资源的最优利用，达到最大化系统总 速率的目的。本论文首先针对t w o w a y 多中继协同网络中的中继选择方法进行了 一定的探讨，并联合考虑中继节点处的接收信噪比和中继节点到目的节点间的信道 增益，提出了最优中继选择方案。之后，建立了t w o w a y a f 中继网络中基于公平 性的优化功率分配模型，并获得最优功率分配解决方案，最终通过仿真验证此功率 分配方案在系统总速率增量上的优越性。 ( 2 ) 在获得上述优化模型优化解的基础上，进一步对t w o - w a y a f 中继网络中的 功率分配方案进行深入研究。考虑到基于公平性的功率分配方案在顾及公平性的同 时，会牺牲一定的系统总速率，故在之后的研究中为了将系统的总速率提升至最高， 建立了基于信道增益差异的优化功率分配模型，鉴于此模型求解的复杂性，通过提 出一种迭代算法求出了此模型的近似最优解，达到了最大化总速率的目的。 ( 3 ) 针对t w o w a y 中继系统的另一重要性能恒量指标中断概率，首先对 t w o w a ya f 中继网络的中断概率闭合表达式进行了详细推导。在此基础上，建立 以最小化中断概率为目的，系统总功率受限条件下的优化模型，通过论证优化模型 为凸优化问题，使用凸优化模型的经典解法一拉格朗日对偶分解法，对优化模型 进行了数学求解，并获得最佳功率分配解决方案。 ( 4 ) 最小化系统总功率开销一直是功率分配问题中的研究热点，此后的研究中， 以t w o w a ya f 中继网络为研究场景，在保证系统中断概率取值满足用户需求的条 件下，以最小化总功率消耗为目的，建立优化功率分配模型。在证明此优化模型同 样为凸优化问题之后，对优化模型进行求解，得到了最小化系统功率消耗下的优化 功率分配方案。 本学位论文共分五章，主要内容安排如下：第一章以回顾通信技术的历史为主 线，逐步提出中继网络，并介绍中继网络的优势、研究热点。进一步提出更为有优 势的t w o - w a y 中继，并介绍了t w o - w a y 中继的系统模型、研究现状等进行了介绍。 第二章介绍了在t w o w a ya f 中继网络中，为了达到系统速率最大化，在系统功率 资源有限条件下，分别以公平性和信道增益差异为基本出发点的两个优化模型的建 立与求解。第三章建立的则是以最小化t w o - w a y 中继系统中断概率为目的，总功率 受限条件下的优化模型，并证明了此模型属于凸优化的范畴。第四章中以实际应用 场景为出发点，在保证系统中断概率满足用户需求的前提条件下，建立以最小化系 统功率开销为目的的优化模型，通过对优化模型的求解，求出优化功率分配方案。 第五章对论文的主要工作进行了分析总结，并指明了今后工作的努力方向。 l o 第二章t w o w a y 中继系统中的功率优化分配策略 2 1 引言 在国家倡导“节能减排，提高能源利用效率 的今天，大部分学者都在致力于 如何以最小的代价以获得最高的功率利用效率。反应到无线通信中，也即是如何以 最小的功率开销，以追求更快的信息传输能力及更高的频谱利用率。无论在o n e - w a y 中继网络还是t w o w a y 中继网络中，功率分配一直都是研究的重中之中。 如第一章中所述，中继技术的引入可以有效的降低电波在传输过程中的各种损 耗。然而，由于中继器本身需要动力支持，在目前的蜂窝通信系统中加入中继器之 后，整个系统的功率开销势必会随之增大，网络的铺设成本也自然随着增高。如何 在系统总功率额定的情况下，将系统的性能提升到最优，成为了目前学术界的研究 热点。 文献 2 8 以t w o - w a y 中继网络作为研究背景，提出了一种最大化信道瞬时可达 速率及最小化系统中断概率的自适应功率分配方案。在同样的网络环境中，文献 2 9 提出了针对t w o w a y 中继网络的信道估测模型。通过让中继节点首先对信道系数进 行估测的方式，以期在目的节点处达到优化数据监测的目的。为最大化平均有效信 噪比及最小化信道估测的均方误差，作者分别提出了两种优化功率分配