（通信与信息系统专业论文）无线中继网络功率分配研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 无线中继技术能有效的提高网络的q o s 和运行效率，其研究的内容也非常广 泛，而功率分配是无线中继网络研究中的关键技术。在一个实际的中继系统中，由 于频谱资源和信号干扰的限制，基站、中继站和整个中继网络存在一定的功率约束。 在系统资源有限的情况下，如何在各跳链路间合理的分配功率，从而进一步提高中 继系统的性能已受到越来越多的关注。 本论文的研究工作是围绕无线中继网络功率分配这一课题进行的。在阅读了大 量相关文献的基础上，对其相关知识进行了归纳总结；论文系统而全面的介绍了无 线中继网络的四种合作发送协议，并重点研究了非再生中继系统中基于多用户公平 性的功率分配，提出了适用于不同优化目标的功率分配算法，讨论了在不同的优化目 标下，公平性因素对中继系统性能的影响，并对算法的性能进行了仿真评估。论文 的主要研究工作包括： ( 1 ) 归纳总结了无线中继网络中现有的四种合作发送协议，以最大化系统容量为 准则，运用拉格朗日乘数法分别推导求解出再生中继和非再生两跳中继系统四种发 送协议的功率优化值，并用仿真与平均功率分配方案进行了比较。 ( 2 ) 从信道自适应的角度研究多用户非再生中继网络，提出了以最大化用户速率 为目标的公平性功率分配算法。与传统的功率分配算法相比，本算法能有效的保证 用户间的公平性，并且具有较低的复杂度。 ( 3 ) 从节省能量的角度研究多用户非再生中继网络，提出了以最小化中继节点发 射功率为目标的公平性功率分配算法。本算法所需发射功率明显低于现有的功率分 配方案，这对节省功率资源具有重要意义，同时也保证了用户间的公平性。 ( 4 ) 从提高中继系统q o s 的角度研究多用户非再生中继网络，提出了以满足不同 用户速率需求为目标的公平性功率分配算法。本算法能很好的满足用户速率的q o s 需求，且算法具有较低的复杂度。 关键词：无线中继网络，功率分配，合作协议，多用户公平性 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s 仃a c t w i r e l e s sr e l a y i n gt e c h n o l o g yc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h eq o sa n ds y s t e me f f i c i e n c y , t h er e s e a r c hc o n t e n t sa r ei nav a r i e t yo fd o m a i n , a m o n gw h i c h ，t h ep o w e ra l l o c a t i o ni n w i r e l e s sr e l a y i n gn e t w o r k si saw i d e l yr e s e a r c h i n gt e c h n o l o g y i na l la c t u a lr e l a y i n g s y s t e m ，b e c a u s et h ec o n s t r a i n t so fs p e c t r u mr e s o u r c ea n ds i g n a li n t e r f e r e n c e ，t h e r ei sa c e r t a i np o w e rc o n s t r a i n tb e t w e e nt h eb a s es t a t i o n s ，r e l a y i n gs t a t i o n sa n dt h ew h o l e r c l 聊n gn e t w o r k s a st h el i m i t e dr e s o u r c e so ft h er e l a y i n gs y s t e m ，h o wt oa l l o c a t i o nt h e r e s o u r c eo fp o w e rp r o p e r l y , t h u sf u r t h e ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h er e l a y i n g s y s t e mh a sb e e nd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no f t h ep u b l i c t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sb a s e do np o w e ra l l o c a t i o ni nt h ew i r e l e s sr e l a y i n g n e t w o r k s b a s e do nt h es t u d yo fal o to fr e l a t e ds c i e n c ea n d t e c h n o l o g yl i t e r a t u r e s ，t h e r e l a t e dk n o w l e d g eo ft h ep o w e ra l l o c a t i o ni sc o n c l u d e da n ds u m m a r i z e d ；t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ef o u rd i f f e r e n t c o o p e r a t i v et r a n s m i t t e dp r o t o c o l ss y s t e m a t i c a l l ya n d c o m p r e h e n s i v e l yi nw i r e l e s sr e l a y i n gn e t w o r k s t h ep a p e ra l s of o c u s e so nt h es t u d yo f p o w e ra l l o c a t i o nb a s e do nm u l t i u s e rf a i m e s si nn o n - r e g e n e r a t i v er e l a y i n gn e t w o r k , a n d p r o p o s e st h ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rd i f f e r e n to p t i m i z a t i o no b j e c t i v e s ，d i s c u s s e s t h ef a i m e s si m p a c t s i nt h ed i f f e r e n to p t i m i z a t i o no b j e c t i v e so fr e l a y i n gs y s t e m f i n a l l y , t h ep a p e re v a l u a t e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h m t h em a i nr e s e a r c ht a s k so ft h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m su pt h ec u r r e n tf o u rd i f f e r e n tc o o p e r a t i v et r a n s m i t t e dp r o t o c o l si nw i r e l e s s r e l a y i n gn e t w o r k s ，t a k i n gt h es y s t e mc a p a c i t ym a x i m i z e da st h ec r i t e r i o n , u s i n gl a g r a n g e m u l t i p l i e rm e t h o dt os o l v et h ep o w e ra l l o c a t i o np r o b l e m si nn o n - r e g e n e r a t i v er e l a y i n g a n dr e g e n e r a t i v er e l a y i n gn e t w o r k s i nt h ee n d ，m a k e sas i m u l a t i o na n dc o m p a r et ot h e e q u a lp o w e r a l l o c a t i o ns c h e m e ( 2 ) f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc h a n n e la d a p t i v e ，r e s e a r c ho nt h ep o w e ra l l o c a t i o n 丽t l l m u l t i u s e rf o rn o n - r e g e n e r a t i v er e l a y i n gn e t w o r k s ，t a k i n gt h eu s e 璐r a t em a x i m i z e da st h e c r i t e r i o n , t h ep a p e rp r o p o s e st h ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ef a i r n e s s c o m p a r e t ot h et r a d i t i o n a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h mc a ns a t i s f yt h eu s e r s f a i r n e s si nt h ew i r e l e s sr e l a y i n gn e t w o r k s ，a n dh a sl o wc o m p l e x i t y ( 3 ) f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g ys a v i n g ，r e s e a r c ho nt h ep o w e ra l l o c a t i o n 谢t 1 1 m u l t i u s e rf o rn o n - r e g e n e r a t i v er e l a y i n g n e t w o r k s ，t a k i n g t h e t r a n s m i t t i n gp o w e r m i n i m i z e da st h ec r i t e r i o n , t h ep a p e rp r o p o s e st h ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do n i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h ef a i r n e s s c o m p a r et ot h et r a d i t i o n a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h mc a n s i g n i f i c a n t l ys a v et h ep o w e rr e s o u r c e s ，w h i l ee n s u r i n gf a i r n e s sa m o n gu s e r s ( 4 ) i no r d e rt oi m p r o v et h eq o so ft h er e l a y i n gs y s t e m ，r e s e a r c ho nt h ep o w e r a l l o c a t i o nw i t hm u l t i - u s e rf o rn o n - r e g e n e r a t i v er e l a y i n gn e t w o r k s ，t a k i n gt h es a t i s f y i n g r a t eo fd i f f e r e n tu s e r sa st h ec r i t e r i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e st h ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h ef a i r n e s s t h ea l g o r i t h mc a l ls a t i s f yt h eu s e r s q o si nt h ew i r e l e s sr e l a y i r i g n e t w o r k s ，a n dh a sl o wc o m p l e x i t y k e yw o r d s ：w i r e l e s sr e l a y i n gn e t w o r k s ，p o w e ra l l o c a t i o n , c o o p e r a t i v ep r o t o c o l s ，m u l t i u s e r f a i r n e s s i i i 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 胁m a c d m a t d m a 3 g p p 缩略语 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 c o d ed i v i s i o nm u r i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pa r o j e c t l t e a l o n gt e r me v o l u t i o n - a d v a n c e d m m o o f d m q o s i t u r 姆 d f d f t d a b d v b i s d b a d s l e t s i p s k q a m r r m g p m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g q u a l i t yo fs e r v i c e i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu i l i o n a m p l i f y - a n d - f o r w a r d d e c o d e a n d f o r w a r d d i s e r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d 蜮t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e e u r o p e a nt e l e c o ms t a n d a r d si n s t i t u t e p h a s es 1 1 i rk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t g e o m e t r i cp r o g r a m m i n g v i 频分多址 码分多址 时分多址 第三代移动通信合 作计划组织 长期演进项目的后 续演进 多输入多输出 正交频分复用技术 服务质量 国际电联无线电通 信部门 放大前向中继 译码前向中继 离散傅里叶变换 数字音频广播 数字视频广播 综合业务数字广播 非对称数字环路 欧洲电信标准协会 相移键控 正交幅度调制 无线资源管理 几何规划 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 人类运用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代。但直到1 9 世纪末，人们都 是通过非常直观的方式来实现简单的信息传输。例如古代战争中的烽火台，金鼓和 旌旗都是早期人类无线通信的例子。在1 8 6 4 年，英国的物理学家j c m a x w e l l 创造 性总结了当时的电磁学知识，预言了现实中存在电磁波。1 8 8 6 年，德国的物理学家 h h e r t z 采用实验产生出电磁波，验证了j c m a x w e l l 当时的预言。1 8 9 7 年，意大利 的科学家g m a r c o n i 首次使用无线电波进行信息传输并取得了成功。在以后的一个 世纪里，随着计算机和半导体技术的飞速发展，无线移动通信的理论和技术也在不 断的取得进步。现在，无线移动通信已经发展到大规模的商用并成为人们日常生活 中不可缺少的重要通信方式之一【l 】。 随着近些年来无线移动通信系统的发展，移动用户对高速率数据业务的要求也 越来越高，第三代移动通信合作计划组织( 3 g p p ) 目前正在针对长期演进( l t e a ) 项目制定新的标准，这项标准能满足第四代移动通信技术对系统吞吐量和覆盖范围 的需求【2 】。在制定标准的过程中所面临最主要的技术挑战是为小区边缘提供更高的 吞吐量，虽然m i m o 和o f d m 技术能提高单条链路的吞吐量，但本质上不能减少 信号干扰的影响，同时这些技术也不能改善小区边缘的性能。由于小区边缘的性能 变得越来越重要，因此人们也在研究更先进的技术使得蜂窝系统采用相同的传输功 率，但能提供给小区边缘更高的带宽【3 】。 综上可知，如何在有限的频谱资源和复杂的无线信道下提供更高的传输速率， 给无线通信的发展带来了很多技术挑战和机遇。 1 2 课题的研究意义和现状 对于无线中继技术的研究起始于上世纪的7 0 年代【4 捌，而文献 6 的作者用信息 论的观点最早分析了无线中继系统的容量，针对中继系统容量的研究大部分都是基 于此文献扩展而来。 一直到本世纪初，无线中继技术才逐渐得到了国内外学者的广泛重视和深入的 研究。在未来的移动通信( 3 g p p 、3 g p p 2 、b 3 g ) 、无线宽带n 络( 8 0 2 1 4 ) 等标准中， 都引入了无线中继技术，而欧盟无线世界开创新无线电( w i n n e r ) 在2 0 0 5 年的技术 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 报告( f i n a lr e p o r to nl i n kl e v e la n ds y s t e ml e v e lc h a n n e lm o d e l s ) ，详细的阐述了 无线中继的信道模型和适用的场景。 在我国，无线中继也成为通信领域的研究热点。国家“8 6 3 ”计划项目、国家自 然科学基金、国家科技重大专项都对协同中继系统立项研究。 由上可知，中继技术具有广阔的研究与应用前景，而功率分配是无线中继网络 研究中的关键技术，同时也是无线中继研究领域的热点问题。在一个实际的中继系 统中，由于频谱资源和信号干扰的限制，基站、中继站和整个中继网络存在一定的 功率约束。在系统资源有限的情况下，如何在各跳链路间合理的分配功率，从而进 一步提高中继系统的性能已受到越来越多的关注。采用平均功率分配的方案虽然简 单可行，但由于没有考虑中继系统各跳间信道条件的不同以及信道的时变特性，因 此不能对功率资源进行合理的利用，而功率优化分配对中继系统的性能有很大影响。 目前对于功率分配研究主要是在不同的中继系统模型下，如：单个中继节点、多个 中继节点、单载波的中继系统、多载波的中继系统等，优化不同的目标，而优化的 目标主要集中在以下几个方面：系统容量最大化的功率分配；最小化系统传输功率 的功率分配；误码率最小化的功率分配；中断概率最小化的功率分配。 1 2 1 系统容量最大化与传输功率最小化的功率分配 在文献 7 】和 8 】中，作者分别在信道已知瞬时状态信息和统计状态信息两种情况， 分析了非再生和再生中继系统的信道容量，并以最大化中继系统容量为目标，采用 了两跳平坦衰落中继系统容量公式，提出了在源节点和中继节点间的最优功率分配 方案。仿真结果表明，充分利用信道状态信息的最优功率分配可使中继系统获得更 好的性能，其中信道已知瞬时状态信息时的系统容量比已知统计状态信息时高。这 是因为信道已知瞬时状态信息意味着中继系统能及时根据信道的状态来自动调整功 率分配值，从而使得容量最大化，而在信道已知统计状态信息的条件下，系统不能及 时的调整功率资源分配值，因此系统容量比瞬时信道状态信息要低，同时文献也得 出了中继节点位于源节点与目的节点的中点时系统容量最高的结论。 在文献1 9 1 ，作者分析了在频率选择性衰落信道下的非再生两跳中继系统，采 用了非分集的方式，提出了在三种约束条件下，即在中继节点进行的最优功率分配， 在源节点进行的最优功率分配以及在源和中继节点同时进行的最优功率分配，最后 与平均功率分配方案进行性能比较，求解时利用两跳频率衰落中继系统容量公式， 仿真结果表明在源和中继节点同时进行的最优功率分配其系统性能比另外的方案更 好，能使系统容量达到最高。 而在文献 1 0 中，作者针对非再生和再生两种频率选择性衰落的中继系统，推 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 导了两跳再生中继系统的等效信道增益，提出了联合子载波和功率优化分配的方案， 同时也利用了两跳频率衰落中继系统容量公式，最后把上述结论推广到多跳中继系 统中。仿真结果表明，相比直传和平均功率分配方案，最优功率分配的中继系统容量得 到明显的提高，且多跳中继系统也能得到以上的结论。 文献 1 1 】的作者提出了在非再生中继系统下行协作的功率分配优化方案。文中 假设为基站的数目，( 见【f 1 ) 作为求解的凹函数，研f 】l 三【l ，。，】为用户数，并 把最优化功率分配的数学模型表示为下式： 声：缴m a x 争擎虻 ，啷一善磊，等 其中口作为表示公平性系数。根据不同的口值，文中评估了不同的协作策略方 案，它们对应于不同的最优化目标：整体最优化分配，最大。最小公平分配，比例公 平分配以及调和平均值公平分配。仿真结果表明采用不同的功率分配方案无论在何 种负载条件下都能提高系统的公平性，此外除了整体最优化策略，其它策略都能提 高系统的吞吐量。因为采用整体最优化策略能使信道状态条件好的用户受益，并使 得在小区边缘的用户得到更好的公平性，但以此为代价降低了中继系统的数据传输 速率。 文献【1 2 】的作者研究在两跳中继网络中，分析了在没有反馈速率的条件下和在 有一定的反馈速率的条件下，联合速率控制和功率分配来最大化系统的吞吐量，同 时也验证了有一定的反馈速率能明显提高中继系统的性能。文献 1 3 】的作者研究了 多个源节点、多个中继节点和一个目的节点的中继模型，并联合带宽和功率分配， 提出了一种低复杂度的算法来提高系统容量。文献 1 4 的作者运用跨层的思想，在 中继系统总功率的限制下，采用拉格朗日对偶法求解文章中的优化问题，使得网络 的效用函数最大化。文献 1 5 】的作者研究了多跳再生中继网络，文中假设源节点和 中继节点能获得有限的信道信息，并在信噪比条件的限制下，提出了一种分布式的 功率分配算法使得中继系统的发射功率最小化。文献 1 6 】研究了两跳非再生和再生 中继网络，以最大化目的节点的信噪比为目标，提出了一种在源节点和中继节点进 行自适应的功率分配方案，仿真结果表明所提方案目的节点的s n r 能比平均功率分 配方案高出1 - 2 d b 。 文献 1 7 】研究了多中继的o f d m 系统模型，在目标速率的约束下，提出了几种 联合比特和功率分配的方案来最小化系统的传输功率，并在仿真中比较了中继节点 的个数对系统性能的影响。文献 1 8 】在o f d m a 中继网络中以最大化效用函数为目 标，提出了联合功率分配和中继选择的方案。文献 1 9 】在多跳o f d m a 网络中提出 一种联合子信道、路径和功率的启发式算法使的中继网络中用户的速率得到最大化。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 文献 2 0 】 2 1 】 2 2 】 2 3 】同样分析了多跳o f d m 中继系统，文中都假设所有节点知 道信道状态信息，采用自适应的功率分配算法来提高系统信道容量，并与等功率分 配方案进行了性能比较，其次上述文献都联合子载波分配来进一步的提高系统性能。 文献【2 4 针对多中继的网络，在满足用户q o s 的条件时，通过优化时隙和功率 分配，进一步提升中继系统的容量。文献 2 5 】在两跳再生中继网络中，以最大化互 信息和最小化中断概率为目标，研究了时隙和功率的联合优化分配对中继系统性能 的影响。文献 2 6 】把功率和时隙分成两个步骤进行优化，最终同样提高中继系统的 总容量。 1 2 2 误码率最小化的功率分配 对于以中继系统误码率为目标的研究，在文献 2 7 d 0 ，作者对分集和无分集两 种平坦衰落再生中继网络，误码率上界的公式为目标进行分析，并假设信道具有高信 噪比，目的节点能完全译码出信道的衰落系数，对于非分集的两跳中继网络，当y ”、 7 ，的取值足够大时，引用误码率上界公式： 11 一 一 咫赢+ 赢吖1 2 、儿， 1 ( 1 2 ) 对于分集的两跳中继网络，当7 。2 、厂：，和乃，取值足够大时，引用误码率上界公 式： 11 一一一 p + 二；厂1 2 、7 1 3 、7 2 3 1 ( 1 3 ) k y l 2k y l 3 7 2 3 。 、 其中，中继系统平均信噪比如= e r o = 8 ；p , u o ，( f = 1 ，2 ；j = 2 ，3 ) ；o 为加性 复高斯白噪声，露为源节点发送功率，罡为中继节点发送功率，磊为高斯随机变量。 然后通过l a g r a n g e 乘数法求得源节点和中继节点功率优化分配值。仿真结果表明， 与平均功率分配方案相比，最优功率分配方案误码率得到明显降低，并且在假设源 节点，中继节点和目的节点位于同一直线上时，把源节点和目的节点的距离归一化 为1 ，且源节点位于( o ，o ) ，目的节点位于( 1 ，o ) ，当中继节点位于( o 5 ，o ) 时 中继系统的误码率最低。 在文献 2 8 】中，作者分析了两跳再生非分集中继网络，并分别比较了四种中继 传输协议的误码率。 直接传输协议的误码率公式为： 虿：南 ( 1 4 ) 2 【1 + 去p j 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 再生传输协议的误码率公式为： 虿2 翻1 + 翻1 一 理想的空时块编码协议的误码率公式为： ( 1 5 ) 虿：7 产- 弋 ( 1 6 ) 2 fl + pl | 1 + 导pl k 锄八惋 实际的分布式空时块编码协议的误码率公式为( 1 7 ) ： 仁硼+ 陌零爵弓习一陬硒弓习瞬 其中，k 、k 、分别表示源节点到中继节点距离，源节点到目的节点距 离，中继节点到目的节点距离。，表示源节点传输总功率的比率，p 代表信噪比，7 代表在第一时隙传输的总功率比例。而求解最优化功率时需要对( 1 4 ) 一( 1 7 ) 求导，并 利用求根公式算出最优解。 仿真结果表明采用再生中继协议，当中继站靠近源节点或目的节点时，平均功 率分配方案的误码率比直接传输方案高，而最优功率分配不论中继站处于源节点和 目的节点间的某个位置，误码率都比直接传输方案低。采用理想的分布式空时块编 码协议时，平均功率分配或最优功率分配都能获得比直接传输协议低的误码率。而 采用实际的分布式空时块编码协议，当中继站靠近目的节点时，平均功率分配方案 的误码率比直接传输协议高，而最优功率分配不论中继站处于源节点和目的节点间 的某个位置，误码率都比直接传输协议低。 而在文献【2 9 】中，作者提出了在平坦衰落再生中继系统误码率最小化的功率分 配方案，采用了分集接收的方式，文章考虑在中继节点错误传播的情况，即对于单 中继系统，误码率的公式表示为： = o 最( o ) + 只。最( 1 ) ( 1 8 ) 其中，厶代表探测到源节点有错误的传输符号，已代表没有探测到源节点传 输的错误符号而错误传播的情况，b ( o ) 为没有中继错误传输，最( 1 ) 为有一个中继 错误前向传输，并将( 1 8 ) 式扩展到多个中继系统的情形，仿真结果表明，当传输总 功率比较小时，源节点和中继节点的功率分配对系统误码率性能影响不大，但传输 总功率比较大时，则源节点分配9 0 的总功率，中继节点分配1 0 的总功率可以使 得中继系统的误码率最小。 文献 3 0 】针对o f d m 非再生中继系统提出了分布式的比特和功率分配算法，并 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 在仿真中通过改变中继节点的位置来验证其对系统误码率的影响。文献【3 1 】推导了 非再生中继网络中在三种发送协议下的误码率公式，并求出功率优化分配值使得系 统误码率最小化。文献 3 2 的作者研究了多跳o f d m 中继网络的误码率问题，分别 推导出多跳非再生和再生中继网络的功率优化分配闭式解，并与平均功率分配方案 进行了比较。 1 2 3 中断概率最小化的功率分配 目前基于中断概率最小化功率分配的研究大多都是根据文献 3 3 】改进而来，文 献的作者介绍了协作分集的基本原理，并具体介绍了非再生中继，再生中继，选择 中继，增强中继这几种协作分集方案，并分别给出了这几种协作分集方案的中断概 率性能。结果表明，增量中继方案性能明显优于其它几种方案。 在文献 3 4 】中，作者分析了两跳非再生和再生中继网络的中断概率，并将其扩 展到多跳的情形，对于再生非分集的中继系统其中断概率表达式为： p 似f = 1 一矿“1 ，i 卜1 ，2 ( 1 9 ) 再生且分集的中继系统的中断概率表达式为： = ( 1 - e - r 埔( o r t ) + o r d ) ) ( 1 一e 一伪)( 1 1 0 ) 非再生中继系统的中断概率表达式为： ，1一 ， 一 一 = 1 一 k 崮p 协卜。例 ( 1 1 1 ) 以儿、乃兄 其中，代表中断门限值，以0 = 1 , 2 ，3 ) 为链路平均信噪比，k 为巴塞尔函数， c 为中断门限值的函数，求解时利用了拉格朗日乘数法和k k t 条件，仿真结果表 明，采用分集的再生中继系统中断概率最低。 文献 3 5 】的作者提出了在衰落的非再生中继信道中断概率最小化的功率分配方 案。文中分析了源节点和中继节点知道完整信道状态信息，以及不知道信道状态信 息两种情况，当源节点和中继节点知道完整信道状态信息时，文中采用了有限比特 反馈的功率控制算法( 算法描述具体见文献【3 5 】) ，此策略也适用子其它的中继协议。 假设网络信道状态信息由三个元素组成，即y = ( ，以，托) ，为源节点到中继节点 的衰落系数，以为源节点到目的节点的衰落系数，款为中继节点到目的节点的衰落 系数。功率控制函数乞= ( 坷，p ，。) ，q 1 ，2 ，l ，系数g 代表传输给源和中继节 点的反馈信息时通过无噪声的信道。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 孵1孵2吼 只 lb 兄 f j 仉， ，只)g 饥， ，b ) | l | g 饥， ，只) - - ， 乃鸬乃飓肫死 叫爱惜觜 n 柳 一警+ n 爵 誓墨l 盟一占：石： ” 智刚2 昂+ 砰1 d 2 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 在( 1 1 4 ) 式中，乃矿圯、k 分别表示源节点到中继节点、中继节点到目的节点 以及源节点到目的节点的信道增益，磊为源节点平均传输概率，e 为中继节点平均 传输功率，群，配，彰，分别表示中继节点的高斯噪声，目的节点从中继节点接收 到的噪声以及目的节点采用最大比合并时的高斯噪声。最优功率根据拉格朗日乘数 法求解得出，文献考虑了四个中继站和六个中继站的情况，仿真结果表明，采用最 优功率分配方案时，其系统中部署六个中继站的中断概率比部署四个中继站时低。 文献 3 7 】作者首先推导了多跳非再生中继系统的中断概率公式，并对公式进行 了简化，采用拉格朗日乘数法求出功率优化分配值，使得系统的中断概率得到进一 步的降低。文献【3 8 】作者分析了两跳中继网络，并推导出系统信道中断容量的上界 和下界，文中考虑了传送端已知信道状态信息的情况，最后用文中提出的功率优化 分配方案和平均功率分配方案进行了性能比较。文献 3 9 】的作者研究了非再生中继 网络中的功率分配，采用了多中继的模型，文中首先假设了在发送端已知完全信道 信息和统计信道信息两种情况下，用功率优化分配方案来降低系统的中断概率，然 后采用联合中继选择和功率分配的方案进一步提高系统的性能。文献 4 0 在衰落的 n a k a g a m i m 信道中分析了非再生中继系统的中断概率。 从以上的文献可以看出，无线中继网络中的功率分配研究至少还存在着以下几 个方面的不足： ( 1 ) 现有文献仅对再生或非再生中继系统的其中两种合作发送协议作了功率优 化分配的研究，而没有对中继系统的四种合作发送协议做全面的比较分析。 ( 2 ) 针对系统容量最大化和传输功率最小化的功率分配，大部分的文献仅考虑了 总功率的约束，而用户公平性约束的问题还没得到足够的重视。 ( 3 ) 目前的文献大多仅考虑用户在具有相同的最低速率约束下进行功率优化分 配，而对于满足中继系统不同用户速率需求的功率分配问题研究较少。 本文也将围绕以上三个问题展开对无线中继网络功率分配的研究。从另一个角 度看，多媒体业务的复杂特性造成功率分配技术在保证用户o o s 以及公平性上有一 定的困难，也使得设计一个合理的功率分配方案变得十分必要，而在中继系统中对 于保证用户o o s 以及公平性的功率分配技术研究还不是十分成熟，给理论研究和技 术开发留下相当大的空间。总而言之，无线中继是一门新兴的技术，开展对无线中 继网络功率分配的研究，从而进一步推动无线通信的发展，有极其重大的意义。 1 3 论文主要研究内容和贡献 本文的主要工作和贡献如下： ( 1 ) 针对无线中继网络四种发送协议的情况，全面分析和推导了两跳o f d m 中继 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 系统的信道容量公式，以最大化系统容量为准则，提出了在总功率一定的条件下， 优化分配发射功率的方案，并用拉格朗日乘数法求解出四种发送协议的功率分配值， 从而进一步完善了两跳0 f d m 中继系统对于信道容量的研究。 ( 2 ) 从信道自适应的角度研究多用户非再生中继网络，提出了以最大化用户速率 为目标的公平性功率分配算法。与传统的功率分配算法相比，本算法能有效的保证 用户间的公平性，并且具有较低的复杂度。 ( 3 ) 从节省能量的角度研究多用户非再生中继网络，提出了以最小化中继节点发 射功率为目标的公平性功率分配算法。本算法所需发射功率明显低于现有的功率分 配方案，这对节省功率资源具有重要意义，同时也保证了用户间的公平性。 ( 4 ) 从提高中继系统q o s 的角度研究多用户非再生中继网络，提出了以满足不同 用户速率需求为目标的公平性功率分配算法。本算法能很好的满足用户速率的q o s 需求，且算法具有较低的复杂度。 1 4 论文的结构安排 本学位论文关于无线中继网络功率分配研究的课题来源于新一代宽带无线移 动通信网专项i m t - a d v a n c e d 新型无线网络技术研发国家科技重大专项、协同中继 系统跨层资源分配与优化调度的理论及方法国家自然科学基金项目和协同无线通 信理论与资源分配关键技术研究重庆市自然科学基金项目。 本文章节内容具体安排如下： 第一章介绍了选题背景和意义，从课题引出无线中继网络功率分配的重要性。 第二章详细介绍了与本论文相关的理论知识，包括无线中继网络概述、o f d m 系统的基本原理、注水算法原理、k k t 条件。 第三章归纳了无线中继网络中现有的四种发送协议，以最大化系统容量为准 则，运用拉格朗日乘数法分别推导求解出再生中继和非再生中继四种发送协议的功 率优化值，并用仿真与平均功率分配方案以及不同协议间进行了比较。 第四章介绍了多用户非再生中继网络的研究现状，根据现有的问题，分别以 最大化用户速率、最小化中继节点发射功率和满足不同用户速率需求为目标提出了 基于公平性的功率分配算法，并详细阐述了本文提出的算法流程，并对其进行一系 列仿真实验，并根据实验结果对提出的算法性能进行了评估。 第五章对本文课题所做的工作进行了一个全面的总结，并展望未来研究工作 的重点。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章论文相关理论知识 第二章论文相关理论知识 2 1 无线中继网络概述 对于未来的无线宽带系统，国际电联无线电通信部门( i t u - r ) 官方宣称，在高 速移动的环境中支持下行1 0 0 m b s 的峰值传输速率，低速移动的环境中支持下行 1 g b s 的峰值传输速率。在传统的蜂窝系统体系架构下，需要大幅的增加基站数量， 从而提供更多的频谱带宽和更广的信号覆盖范围才能满足上述要求。但是部署基站 的成本相对较高，传统的蜂窝网络其小区直径为2 - 5 k m ，而中继站一般覆盖直径为 2 0 0 - 5 0 0 m 的区域，这意味着中继站所需要的传输功率远远低于基站的传输功率，另 外，中继站在部署时不像基站那样需要在比较高的位置，因而能在一定程度上减少 运营维护的难度和节省成本开支。 另外，中继站没有有线连接的回程链路，而基站具有有线连接的回程链路。中 继站只是无线接收从基站传送过来的数据，然后再转发给用户，或者是无线接收从 用户传送过来的数据，然后再转发给基站，因而能节省有线回程网络接口的费用。 从上面可以看出，中继技术是一种经济有效的方案，而且中继技术能通过获得 空间分集和复用增益使得移动用户能在更好的信道质量下进行通信，以及能有效的 扩大信号的覆盖范围，使系统得到更高的吞吐量，因此吸引了工业界和学术界越来 越多的关注 4 1 , 4 2 。 图2 1 两跳单中继系统模型 中继系统可分为两种类型【4 3 m 】：第一种是移动用户担当无线中继，第二种是无 线中继站，前者在通信的同时可以中继传输其他用户的信息，后者只是通过不同的 转发方式来传输用户的信息，本身没有通信的需求，而无线中继站又分为移动中继 和固定中继。移动中继的被看作固定中继的补充方案，也能解决在一些情况下固定 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章论文相关理论知识 中继不能很好处理的问题，例如在某个地理位置只需要一天中的有限时段提供带宽 容量，因此部署固定的中继显然不合理，而有效的解决方案就是在上述区域部署移 动的中继。有时在移动的传送设备中也需要中继，例如火车、汽车、轿车等，因此 移动性因素需要考虑。以上的两个例子也说明了移动中继在某些场景下相对于固定 中继的优势，即在多个区域的重复可用性。 与固定中继节点相比较，由于移动的自由性，移动中继是一种更加灵活的方案， 但其研究也会变得更加复杂，因此本文主要研究固定中继节点的情形。 两跳单中继系统模型如图2 1 所示，图中s 、r 、d 分别代表源节点、中继节点 和目的节点。根据中继节点的不同转发方式，可以把中继分为几种类型。第一种是 再生中继，又叫做译码前向中继( d e c o d e - a n d f o r w a r d ) ，是指中继节点对接收到的 源节点的信号进行完全解码再重新编码以后再发给目的节点的方式。第二种是非再 生中继，又被称为放大前向中继( a m p f i f y - a n d f o r w a r d ) ，是指中继节点对接收到的信 号只进行简单的放大等处理后直接发送给目的节点的中继方式。第三种是估计转发 中继( e s t i m a t e - a n d f o r w a r d ) ，是指中继节点对源节点的值进行估计，并向目的节点 转发。再生中继和非再生中继是最常用的两种中继转发方式，因此本文也以这两种 转发方式为基础来研究中继网络中功率分配的问题。 根据目的节点是否能够接收源节点的信号，把中继分为无分集的中继和有分集 的中继。如果目的节点处在源节点覆盖范围之外，无法接收源节点发来的信号，只 能通过中继的传输信号来获得信息，则为无分集中继。在这种情况下，中继的主要 作用是通过提高信号的覆盖范围来确保通信。而如果目的节点在源节点的覆盖范围 以内并能够收到源节点发送过来的信号，就可把从源节点、中继节点接收到的信号 进行合并，从而获得分集增益，这也被称为有分集的中继。 根据信道的条件，可以把中继系统分为平坦衰落中继系统和频率选择性衰落中 继系统。针对信号不同的频率成分，无线传输信道会有不同的随机响应，由于信号 中不同频率分量的衰落不同，而经过衰落之后，信号波形会发生畸变。当信号带宽 低于无线信道的相干带宽时，则是平坦衰落，反之信号通过无线信道后各频率分量 的变化是不一样的，并造成符号间干扰，此时就发生了频率选择性衰落。 2 2o f d m