（通信与信息系统专业论文）协作中继资源分配策略研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着人们对进行自由通信的渴求，使得无线网络得到迅速发展，基于中继的 网络系统令传统无线网络中一直存在的健壮性差跟可伸缩性低等问题得到迎刃而 解，因此使得协作中继系统的研究因此也得到蓬勃发展。中继是无线通信系统中 非常有前景的技术，是未来提高覆盖范围，实现可靠传输的重要方法。随着协作 中继的研究不断的深入，如何在源节点跟协作节点之间优化地分配资源，进一步 提高传输速率的问题开始受到关注。本论文以基于协作中继无线通信系统为研究 背景，探讨了多中继协作分集中各节点资源分配问题。 第一、研究在放大转发模式下，基于分布式空时码的协作中继功率分配问题。 首先分析了a f - d s t c 中继系统模型和该模型下的衰落量，在第一跳中选择合适的 中继参与协作，第二跳中满足信道传输阀值时才发送信息。文中考虑源节点只能 获取中继至目的节点链路的信道统计信息，也就是完全信道状态信息( c s i ) 不能获 取。接着以最小衰落量为限制条件建立功率分配策略问题的数学模型，其能够在 满足目标中断概率前提下，使得源节点跟协作中继节点的总平均发射功率最小化。 通过解决模型得出一种多中继功率分配策略。最后通过数值仿真验证了所提出的 功率分配策略。 第二、针对未来通信系统高效节能问题，为了提高系统传输能量效率，考虑 在协作中继节点总分配功率约束条件，建立多中继多用户系统最小化单位数据能 量消耗问题的数学模型。通过拉格朗日对偶分解方法对此模型进行了求解，并基 于对偶分解方法，针对集中式功率分配方案的缺陷设计了一种分布式功率分配算 法，通过梯度法最终迭代收敛出功率分配最优解，并对算法的收敛性进行了证明。 通过仿真验证了该分布式功率分配算法在系统容量和高效节省系统资源方面有着 良好的性能。 关键词：协作中继，资源分配，中断概率，能量效率，分布式功率分配算法 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h ew i r e l e s sn e t w o r kh a sd e v e l o p e dr a p i d l y 谢t ht h ep e o p l e sd e s i r eo ft h ef r e e c o m m u n i c a t i o n t h ei s s u e so fp o o rr o b u s t n e s sa n dl o ws c a l a b i l i t yw h i c hh a v ee x i s t e di n t h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k sh a v eb e e nr e s o l v e db yt h en e wn e t w o r kw i t l lr e l a y t h e r e f o r e , t h er e s e a r c ho ft h ec o o p e r a t i v er e l a ys y s t e mh a sb e e nf l o u r i s h e d r e l a yi s o n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n da n i m p o r t a n tm e t h o dt oi m p r o v ec o v e r a g ea n da c h i e v er e l i a b l et r a n s m i s s i o n t h ep r o b l e m o fh o wt oa l l o c a t et h ep o w e rs o u r c eb e t w e e nt h es o u r c en o d ea n dt h ec o o p e r a t i v en o d e a n df u r t h e ri n c r e a s et h et r a n s m i s s i o nr a t eh a v er a i s e d p e o p l e sc o n c e r nw i t ht h e c o n t i n u i n gr e s e a r c ho fc o o p e r a t i v er e l a y t h ep a p e rs t u d i e dt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sb a s e do nt h ec o o p e r a t i v er e l a y , e x p l o r e dt h ea l l o c a t i o no f r e s o u r c e so fan u m b e r o f r e l a yc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi ne a c h n o d e f i r s t l y ，t h ep a p e rs t u d yt h ep o w e ra l l o c a t i o np r o b l e mw i t l lc o o p e r a t i v er e l a y w h i c hb a s e do nt h ed i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d e si nt h ea m p l i f y - a n d f o r w a r dm o d e t h e p a p e rf i r s ta n a l y z e st h em o d e lo fa f d s t cr e l a ys y s t e ma n dt h ea m o u n to ff a d i n gi n t h i sm o d e l t h ep a p e rc h o o s et h ea p p r o p r i a t er e l a yt op a t i c i p a t ei nc o o r d i n a t i o ni nt h e c h a n n e lo ft h ef i r s tj u m p ，t h er e l a ys e n di n f o r m a t i o no n l yw h e nt h ec h a n n e ls t a t e s s a t i s f i e st h et r a n s m i s s i o nt h r e s h o l di nc o m m u n i c a t i o nl i n ko ft h es e c o n dl i n k t h ep a p e r c o n s i d e rt h es o u r c en o d eo n l yc a l lo b t a i nt h ec h a n n e ls t a t i s t i c a li n f o r m a t i o nw i t h r e l a y - t o d e s t i n a t i o nc h a n n e l ，a n dm e a n 5t h a tt h es o u r c en o d ec a n to b t a i nt h ep e r f e c t c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s d t h e np a p e rp r o p o s et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp o w e r a l l o c a t i o ns t r a t e g yw i t ht h er e s t r i c t e dc o n d i t i o no ft h em i n i m u ma m o u n to ff a d i n g ，t h e s t r a t e g yc a l lm i n i m i z et h et o t a lt r a n s m i tp o w e rw 。h i l ep r o v i d i n gat a r g e ts i g n a l - t o - n o i s e r a t i oa tt h ed e s t i n a t i o nw i t hat a r g e to u t a g ep r o b a b i l i t y t h ep a p e ro b a i nam u l t i - r e l a y p o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yt h r o u g hs o l v i n gt h em o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e d f i n a l l yt od e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e dp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e s e c o n d l y , an o v e lr e s o u r c e a l l o c a t i o n a l g o r i t h m o fm i n i m i z i n gt h ee n e r g y c o n s u m p t i o no fb i ti nr e l a ym u l t i u $ e rs y s t e mw a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ee n e r g y e f f i c i e n c y i nv i e w o ft h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep a p e rs o l v et h e o p t i m i z a t i o np r o b l e mb yt h el a g r a n g i a nd e c o m p o s i t i o nm e t h o d , a n dd e s i g n e da d i s t r i b u t e d p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e d o nt h ed u a l d e c o m p o s i t i o nf o rt h e c e n t r a l i z e dp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e t h e np r o v e dt h ec o n v e r g e n c eo ft h ep r o p o s e d 重庆邮电大学硕士论文 a l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t sa l ep r e s e n t e dt op r o v et h ed i s t r i b u t e dp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h mw h i c ht h ep a p e rp r o p o s e dh a ss u p c r p e r f o m a n c eo fi m p r o v i n gt h es y s t e m c a p a c t i ya n dh i g he f f i c i e n c yo fs a v i n gt h en e t w o r k r e s o u r c e s k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v er e l a y , r e s o u r c eo p t i m i z a t i o n , o u t a g ep r o b a b i l i t y , e n e r g y e f f i c i e n c y , d i s t r i b u t e dp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h m h 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 协作通信网络概念，随着通信系统跟网络的发展而产生。虽然现在的无线通信 系统可以给人们带来各种基础业务，但是随着数据通信、移动通信跟i n t e m e t 的日 益结合以及飞速发展，无线移动用户不仅对各种业务要求不断增加，而且对通信速 率的需求也不断提升。大覆盖范围、高通信速率的通信无疑是下一代通信的必然趋 势。对于用户在移动通信中的业务需求，尤为迫切地需要无线通信系统给予提供更 高频谱效率、更高传输速率跟无缝覆盖的带宽未来。但与此同时，通信的可靠性也 被无线信道环境的特性所严重影响，因此必须要许多对应的技术来克服此缺陷。无 线信道的影响要素主要有三大类：1 、小尺度衰落；2 、中尺度衰落( 也称阴影衰落) ； 3 、大尺度衰落的多径衰落( 也称路径损耗) 。以上要素会对通信系统，传输性能严 重影响，因此，实现高性能需求面对着恶劣的无线通信环境的巨大挑战。 采用协作中继机制的新型无线通信技术，协作通信，既可以有效降低发射机的 发射功率，又保证了传输可靠性，为无线通信系统提供了一种利用空间自由的新手 段。中继信道的优点在于可以利用中继节点的协助，实现源节点与目的节点之间的 可靠通信，无线中继的基本思想是使用中继节点将基站的信号重新处理之后再发送 出去，大尺度衰落依赖于传播距离，这种影响通常可以通过增加发射功率来克服。 然而实际的系统都是能量受限的，当传输距离比较远的时候，由于无线信道的路径 损耗很大，无节制地增加单个用户的发射功率会导致该用户很快能源耗尽，同时也 会造成对其他用户链路的巨大干扰。因此，中继接力是解决这个问题的一个很好的 方法。在发射机和接收机之间放置一些中继节点来帮助传输可以有效降低发射机的 发射功率，既保证了可靠传输性又延伸了通信覆盖范围。 因此，协作中继通信的作用主要是通过提高覆盖范围来保证通信，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，提供热点地区的覆盖以及室内覆 盖等，同时它也是一种有效实现空间分集的方法。 在协作通信中，除了用户直接与目的地通信外，用户之间通过中继协作将信号 传输至目的地，实现源节点与目的节点之间的可靠通信。概括来说，中继协作通信 作为一种新型的组网技术具有以下一些特点： 1 、提高链路性能。在快衰落信道中，协作中继明显要比没有协作提高性能，恰 当的分集策略不会比没有协作糟糕。 2 、延长电池寿命。尤其是在传感器网络中，低能耗是首要考虑的问题。在保证 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 同样性能的情况下，利用合适的协作中继无疑会减少单个节点的能耗。这也无疑地 延长了网络的寿命。 3 、提高网络覆盖率。在某些情况下，源节点到目的节点之间的链路无法建立时， 中继节点的中转作用将在源节点和目的节点问建立一个可能的链路。 4 、发送端和接收端节约能量。终端能耗问题是4 g 的一个瓶颈，协作中继技术 无疑可以通过共享来增加各个终端节点的使用寿命，当然辐射也大大降低。 5 、提高频率效率。发送分集增益，阵列增益，空间复用增益等手段都提高了频 谱效率。 6 、提高网络容量。通过合适的协作空时码，或者合适的协作方式，可以增加网 络容量。 中继网络架构如图1 1 所示。 意。 式 西卜窘囱 一 ， 由图1 1 可以看出，在通信系统中引入无线中继，可以改善小区边缘性能，覆 盖常规小区覆盖区域的盲区，提供常规小区范围之外的覆盖等。 1 2 选题动机及意义 无线协作网络是下一代网络的趋势，因为中继传输很好地适应了人们对未来网 络大覆盖范围高传输速率的要求。同时在有限的无线资源限制下对资源进行优化分 配，对进一步提高传输速率有着极其重大的现实意义。 2 i ： 中继 吞 4， ，l一一、厂 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 协作通信技术的研究主要有以下两方面的缘由：协作通信能有效利用网络资源 和协作通信所能提供的协作通信增益。 协作通信能有效利用网络资源：在这里将以蜂窝移动通信系统来说明无线网络 中空余资源的存在。某一时间段内蜂窝移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通 信要求，因而网络中会有较多的移动终端处于空闲状态，但是传统的蜂窝移动通信 系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源得不到利 用而被浪费掉；另一方面，蜂窝移动通信系统中的移动终端具有差异性，如硬件技 术的快速发展使得部分移动终端具有较强的计算处理能力，而另一些移动终端的计 算处理能力则相对较差。距离基站较近的移动终端具有较好的通信能力，而距离基 站较远的移动终端的通信能力则相对较差。如果将这些移动终端看成是一个可以相 互( 或部分相互) 通信的整体，则这些差异性的存在可使不同的移动终端在网络中 承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高。然而，在传统的蜂窝移动 通信网络中，某一时刻部分有通信要求的移动终端可能由于受自身资源条件等因素 所限制，不能进行较有效的通信：另一方面网络中却存在着大量的空闲资源，以及 部分资源的潜力未能得到充分利用，两者间存在着矛盾，如何利用这些空余资源来 帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题。 协作通信增益：通过分集增益技术来抑制无线信道受多径衰落的影响。分集增 益技术主要包括空间分集增益、时分分集增益、频分分集增益3 种【1 1 。m i m o 技术通 过在发射端和接收端放置多根天线，形成多个独立的发收信道，从而达到利用空间 分集增益技术来提高无线信道传输性能的目的，被认为是下一代无线通信系统中的 关键技术之一。但由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，无线设备不一定 能够支持安装多根天线。而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性，允许单天 线终端设备在多用户环境中共享它们的物理资源来进行通信，形成虚拟天线阵列。 即参加协作通信的设备间可相互转发信息，使得同一信息能够通过不同的独立的无 线信道到达接收端。 文献 2 研究结果表明，协作通信可以提供全部的空间分集增益效果，几个参与 协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有n 个独立的发射天线所 提供的空间分集增益。 而随着人们对随时随地进行自由通信的渴求越来越强烈，有限的无线资源与多 媒体业务不断提高的服务质量要求之间的矛盾日益尖锐，无线资源分配技术在一定 程度上解决了这个问题。然而，随着下一代无线通信技术的飞速进步和业务需求的 爆炸式增长，这方面形成了以多跳蜂窝网，无线m e s h 网以及异构网络为代表的新一 代无线网络，解决了传统无线网络一直存在的可扩展性低和健壮性差等诸多问题， 但是另一方面也对传统的无线资源分配技术提出了更高的要求。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 而在无线网络中，发射功率控制是一个非常重要的课题。发射功率对单条链路 接收信号质量产生影响，同时也影响了相同信道内的其他用户链路的接收质量。调 整发射功率从而提高链路性能并非一个简单的问题，需要在多个节点之间进行折中。 因此，可以通过对总功率的最佳分配来达到资源优化利用的目的。 事实上，提高资源利用率和保证用户的o o s 这两个问题往往是相互约束的。因 为对于像语音业务、视频业务这样的实时性要求较高的业务，往往要求网络为其预 留一定的资源以使其严格的时延及时延抖动的要求得到保证，但资源预留可能会降 低无线资源的利用率。所以要在保证用户q o s 要求的同时，合理分配资源，努力提 高无线资源的利用率。 资源分配问题之所以受到广泛的关注，是因为如下三个原因，首先，在实际的 无线网络中由于距离和地形等因素的影响，节点之间具有不同的信道状态。这意味 着在源节点和伙伴节点分配不同的发射功率往往导致迥然不同的通信性能。其次， 优化的资源分配方案能够减少同道干扰。在无线网络中广泛地利用空间复用技术来 提高无线资源的利用率，即相隔一定距离的节点复用相同的无线信道，从而在无线 网络中引入了严重的同道干扰。因此，优化的资源分配方案能够降低无线网络中的 同道干扰，显著地提高整个网络的通信容量。最后，优化的资源分配方案能够减少 移动节点的能耗。在无线网络中移动节点依赖于电池供电，而移动节点电池容量非 常有限，是一种稀有资源，所以优化的资源分配方案能够减少移动节点的发射功率， 有效地延长移动节点的寿命或者电池的充电间隔。本文在无线资源分配方面的工作 主要是针对上述第一和第三个方面的原因展开的，而这些方面都将会对网络系统容 量造成直接影响，本文针对此分别对协作中继系统进行研究，并提出一些分布式的 资源功率优化分配策略，在无线协作中继通信系统实现方面具有一定的理论价值和 现实意义。 1 3 研究现状 根据中继节点的不同接力方式，可以把中继分为再生中继和非再生中继两类。 再生中继又叫译码前向中继( d f ，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发给目的节点的方式。非再生中继又被称 为放大前向中继( a f ，a m p l i f y - a n d f o r w a r d ) ，是中继节点对接收到的信号只进行简单 的放大、量化等处理后直接发送给目的节点的中继方式。根据目的节点是否能够接 收到来自源节点的信号，又可以把中继分为无分集的中继和有分集的中继两种情况。 前一种情况指目的节点处在源节点覆盖范围之外，无法接收源节点发出的信号，只 能通过中继的接力来获得信息。在这种情况下，中继的作用主要是通过提高覆盖范 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 围来保证通信，许多文献里又把这种情况叫做多跳中继。当目的节点在源节点的覆 盖范围以内能够收到源节点发来的信号时，就可以把分别从中继节点和源节点接收 到的信号进行合并，从而得到分集增益。这种情况通常又被称为合作中继或者合作 分集。 资源分配作为协作通信中的一项关键技术一直是各国学者研究的重点。而协作 通信中的功率分配是在系统资源有限的前提下，根据不同的传输方案，确定某种准 则，在约束条件下自适应的为各跳链路合理分配功率，能够极大地改善功率资源的 利用率，进一步提高中继系统的容量，使网络发挥最佳性能。本质上现有的功率分 配方案可以根据下述不同的原则来分类。 1 3 1 基于目标函数的分配方案 根据目标函数的不同，协作中继系统中的功率资源分配方案主要是以提高可靠 性或者有效性为目的两类。 以提高可靠性为目的功率分配方案大都选择中断概率或者误码率s e r 作为目标 函数，它们的算法思路完全类似，得到的结论也是相似的。 以提高有效性为目的功率分配方案大都选择最大互信息、遍历容量作为目标函 数。与基于可靠性的功率分配方案不同，该方案涉及到了“协作时机的问题，当 且仅当满足某些条件时，中继端才参与协作通信过程。而这种处理方式不仅可以显 著提高半双工模式下的协作通信的数据传输速率，而且它对可靠性的提高也有所贡 献。 1 3 2 根据信道状态信息分类 根据信道状态信息的不同，协作通信系统中的功率分配方案可以分为基于瞬时 或者统计信道状态信息两类。 基于瞬时信道状态信息的功率分配方案的目标函数可以选择为最大互信息、瞬 时接收信噪比等。通过信道估计算法和独立的反馈信道，可以使源端与中继端获得 第一跳和第二跳在每个发送时隙的信道状态信息，如路径损耗和衰落因子。这样，系 统将充分了解信道状态，能够在每个信号发射时隙都调整源端和中继端的发射功率， 使系统总处于最佳状态。可以看出，基于瞬时信道状态信息的方案具有最理想的系 统性能，同时具有最高的系统复杂度。 基于统计信道状态信息的功率分配方案的目标函数可以选择为遍历容量、平均 接收信噪比、中断概率或s e r 性能等。因为瞬时信道状态信息在实际通信中难以实 时获得，可以对在一个时间段内的信道信息进行统计分析，得出信道的统计特征，如 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 信道衰落的均值和方差，将信道的统计信息作为资源分配的参数，使信道具有平均 意义上的最佳性能。将基于统计信道传输特性的方案与基于瞬时接收信噪比的方案 比较，前者实现容易，无论从算法与信道估计的复杂度上均远远低于后者。 1 3 3 根据有无中心控制节点分类 根据网络中有无中心控制节点的作用，协作通信系统中的功率分配方案可以分 为集中式与分布式两类。 集中式功率分配方案仅适用于有中心控制节点的网络，由中心控制节点计算功 率分配因子，然后利用一反馈信道将该因子通知源端与中继端。该方案会得到系统 性能的最优解，但无疑会加重中心控制节点的负担，因此只适用于理论分析，但可 以给予分布式功率分配方案指导思路。现有协作通信中的功率分配方案大都属于集 中式。 分布式功率分配方案比较灵活，无论网络中有无中心控制节点，它都同样适合。 但此时，功率分配因子不再由中心控制节点去计算，而是各源端与中继端自身进行 功率分配，需要的信息量远远少于集中式方案，但也正因为此，它的算法时间要长 于集中式。分布式方案更适用于实际通信情况，但在协作通信的研究仅仅处于起步 状态。 1 3 4 根据中继数目分类 根据协作通信网络中中继数目的多少，可以分为基于具有单个中继的系统与具 有多个中继的系统的功率分配方案。这两种方案本质上是完全相同的，但后者的复 杂度要远远高于前者，同时，多中继参与协作，由于每个中继都可以增加系统的分 集阶数，显然使用多个中继将优于单中继网络。但是多个中继的存在也使得问题更 加复杂化：除了中继策略，我们还需要解决这样一个问题：应该有多少个中继以及 哪些中继来参与帮助源结点。它们之间应该怎样交互，以及在更复杂的系统中，系 统资源应该如何在节点间分配，这使得对参与中继的结点之间协作传输策略的研究 受到了关注。 综上所述，纵观目前协作通信系统中的功率分配方案，以优化有效性为目标的 方案考虑“协作时机 的选择，优于以可靠性为目标的方案；综合考虑系统性能与 算法复杂度，基于统计信道传输特性的方案优于基于瞬时信道传输特性的方案；最 后，分布式的方案比较符合实际通信的情况。目前大量的资源分配算法，基本上都 是基于上述的分类原则，同时考虑一种或多种情况的状态，分别在不同场景下的研 究。 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 文献 3 在具有单个中继的a f 系统下，提出了一种以优化系统s e r 性能为目标 的近似最优功率分配方案，通过仿真证明比平均功率分配方案有着很好的性能提升。 文献 4 】中提出了一种以优化遍历容量为目标的近似最优功率分配方案，与文献 3 中基于误码率性能的方案相比，该方案当且仅当源端统计信息传输特性比中继一 目的端信道传输特性差时才采用协作通信模式，否则源端不用中继端的帮助直接发 送信息。这种方式显著提高了系统的数据传输速率。文献 5 】考虑了一个两跳中继网 络最大化接收s n r 的功率分配问题。分析了a f 跟d f 两种模式的情况，在单中继 下给出了各节点的功率闭合式，在多个中继下计算出s n r 的上界并基于此获得一种 次优的功率分配方案。文献 6 】在基于完全信道状态信息和信道数据两种情况下给出 了最小化系统中断概率的两种功率分配方法，然后添加中继选择方案，选择最优中 继协作传输，使得中断性能和平均吞吐量都得到了明显的提高。 文献 7 】在一个给定的功率预算下，研究了中继链路中的最优功率分配问题。在 给定的一个中断概率门限值情况下，通过调整两跳的功率分配使得系统的性能得到 最优，并分别考虑了a f 和d f 在分集与没有分集的情况。文献 8 】在基于空时分组码 ( s t b c ) 的a f 系统中研究了分集与非分集两种情况下最优功率分配的问题。s t b c 是基于正交设计的空时编码。文献【9 】研究了一个利用分布式空时码的两跳再生中继 ( d f ) 的系统容量。在系统传输总功率约束情况下，采用了一种基于遗传算法的最优 功率分配方案，可以根据c s i 和分布式空时码的特征分布式地调整每一跳上的资源， 从而达到系统容量达到最优。文献【1 0 】针对基于译码转发协议的分布式a l a m o u t i 空 时码f d a s t c ) 系统的信道容量以及最优资源分配策略问题进行探讨。利用退化 中继信道模型，推导得到了固定带宽下d f - d a s t c 系统在衰落信道下的信道容量闭 式解。利用凸优化理论，将以d f d a s t c 信道容量最大化为目标函数的多目标优化 问题转换为非线性不等式约束的单目标凸优化问题，进一步得到了可变带宽分配时 的的最优带宽和功率分配策略。文献 1 1 】研究了基站为多天线，采用编码协作方式 下，如何高效地利用系统资源，更好地利用协作复用来提高系统的性能。文献建立 了在保证业务q o s 条件下以最小化系统能耗为目标的最优模型并得到相应的优化 策略。该策略通过动态调整源节点的发送功率和协作水平，从而控制参与协作的节 点，进而在为业务提供q o s 保证的条件下最大限度地节约了资源的消耗。文献 1 2 】 则是针对解码转发d f 协作分集提出了一种分布式的功率分配算法，该算法不仅具 有较少的控制协议开销，而且对信道状态的变化具有自适应能力。 研究者针对有很多不同假设条件已经提出了资源分配算法：文献【1 3 】 1 4 研究了 对固定中继模型提出了路由选择算法和智能信道选择算法。文献 1 5 1 在综合小区和 a d - h o c 中继系统里提出了负荷平衡算法。文献 1 6 】中在o f d m a 多跳中继系统里， 作者把子信道分配问题制定为一个线性优化问题。然而，文献 1 6 1 只关注于子信道 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 复用，而没有功率优化。在时分多址接入系统里，文献【1 7 】【1 8 】研究了时隙分配算法。 尽管，在一个小区里为了最大化所有用户的共同的吞吐量的时隙分配问题能被制定 成为一个线性规划问题( l p ：l i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，但是在文献 1 7 】中使用的模型对 于大多数实际情况过于简单。文献 1 9 】 2 0 2 1 也对这样一个简单的模型，研究了功 率分配算法。文献 2 2 1 使用预先分配子信道，把优化问题制定为一个凸问题。然后， 使用拉格朗日对偶分解方法引出资源分配算法，证明最优的功率分配是改良的注水 算法，它通过使用内外对分法能够有效地解决功率分配问题。而且，也提出了一种 在复杂度上简单而且能获得接近最优性能的启发式功率分配算法，进一步，这个结 果引发了一个启发式子信道分配算法。最近，e d u a r dc a l v o 等人，在具有不完全信 道状态信息( c s hc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 的中继小区网络中，为了最大化网络的 容量，通过p a r c t o 算法，获得了最优解，而且还提出了一种次优的算法【2 3 】。 1 4 主要研究内容和结构安排 本学位论文关于协作中继网资源分配策略研究的课题来源于国家科技重大专项 新一代宽带无线移动通信网专项：i m t - a d v a n c c 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：协作中继系统跨层资源分配与优化调度的理 论及方法( 项目编号：6 0 9 7 2 0 7 0 ) ；重庆市自然科学基金重点项目：协作无线通信理 论与资源分配关键技术研究( 项目编号：c s t c 2 0 0 9 b a 2 0 9 0 ) 。 从上述文献的情况来看，针对协作中继系统功率分配问题对于不同的优化目标 已取得了不少的研究成果。在上述文献对讨论各种功率分配策略时，一般都是在假 设完全信道状态信息c s i 对于传输节点跟接收节点都是已知的。而在部分c s i 信道 信息的获取上讨论的比较少。在实际上，在信息传输环境中，由于巨大的信道估计 跟信息的反馈，完全信道状态信息c s i 的获取会引起额外的开销和时延从而导致上 述方案的不可行。 此外，在提倡节能高效通信的今天，针对提高能量效率的功率分配问题，或者 说降低单位数据能量消耗的功率分配问题缺乏深入研究。在数据传输过程中，传输 数据所消耗的能量一方面与传输功率有关，同时与传输速率有关，最小化发射功率 导致数据传输速率降低，能量效率不一定提高，增大发射功率可以提高速率，但增 加了能量消耗和干扰。因此必须平衡发射功率，传输速率和能量效率( 能量消耗) 的矛盾。 综上所述，本论主要目标是基于优化理论研究中继网络中的资源优化分配策略 问题，主要工作包括以下： 第一：研究了基于分布式空时码的协作中继系统下的一种功率分配策略，首先 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 分析了基于分布式空时码的放大转发( a f ) 模式下中继网络模型，假设源节点没有获 取中继到目的节点链路的即时信道状态信息，并在信息传输前决定所需传输功率和 中继前传阀值。我们假设源节点跟中继节点只获取了传输信道的部分信道状态信息。 然后在此中继网络模型中引入衰落量的概念，来影响每条传输链路的衰落状态，并 以为一个限制条件，建立最小化总分配功率优化模型，在满足目标中断概率情况下， 设计一种功率分配策略以达到最小化总传输功率的目的。通过数学分析，对优化问 题进行求解，最终获得最优功率分配策略。 第二：为了衡量中继网络性能标准，研究在中继节点总功率约束条件下，建立 了最小化单位数据能量消耗为优化目标的功率分配模型，即在传输能量和传输速率 之间寻求一种平衡。通过拉格朗日对偶分解方法对优化模型进行了求解，并针对集 中式功率分配方案的缺点，设计一种分布式功率分配算法。最后证明了算法的收敛 性。并把该基于能量效率的功率分配方案与功率分配策略与最大化容量的功率分配 策略和平均功率分配策略进行相对比。 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章总体介绍本文的课题背景，选题动机及意义，同时探讨协作中继资源分 配的研究现状并指出本文的主要工作、结构安排。 第二章介绍了无线协作中继系统的基本知识，包括中继的发展，中继基本模型、 中继的分类和传输机制。并介绍凸优化相关原理，包括凸函数、凸集、对偶理论和 k k t 条件等内容，这部分是本文的理论基础。 第三章首先分析了基于分布式空时码的无线多中继系统模型，通过设定一个接 收信噪比门限阀值，选取参与协作中继的可靠中继集合，集合里的多中继转发源节 点信息至目的节点。然后分析了在此模型下的衰落量，并得出衰落量最小限制条件。 紧接着建立优化目标，在满足目标中断概率的情况下，并在衰落量最小时最小化平 均总功率消耗，然后在源节点只能获取中继至目的节点链路的信道统计信息的情况 下对此优化问题进行讨论，最终分析得出一种分布式功率分配策略。最后通过仿真 验证了本文的功率分配策略能在衰落量最小的情况下使优化目标得到最优。 第四章首先提出以能量效率作为衡量中继网络性能标准，建立了最小化单位比 特数据的能量消耗为优化目标的功率分配模型。通过拉格朗日对偶分解方法对优化 模型进行了求解，并设计了分布式功率分配算法，最后证明了算法的收敛性。通过 数值仿真结果表明本章设计的基于能量效率的功率分配策略与最大化容量的功率分 配策略和平均功率分配策略相比，能够有效降低每比特数据的消耗能量，提高能量 效率。 第五章是总结所做的工作，指出所做研究中有待于改进的地方，并探讨了进一 步的研究。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章相关理论知识 第二章相关理论知识 i m t - a d v a a c e x l 对于移动通信的传输速率要求越来越高，在传统的蜂窝网络中， 这是几乎无法实现的。如果要达到高的传输速率，必然要降低传统小区的覆盖面 积，相应要增加基站的个数。基站个数的增加无疑要提高运营商的组网成本，降 低其市场竞争力。无线协作中继的基本思想是使用中继节点将其他节点传送过来 的信号重新处理后再发送出去。应用多跳中继可以扩展小区的覆盖范围，减少通 信中的死角地区，同时还可以平衡负载，转移热点地区的业务。另外，引入无线 中继还可以节省终端的发射功率，从而延长电池寿命。而基于中继的网络结构及 其协作分集和协作多路技术已经得到了国内外学者的广泛重视。 2 1 协作中继系统 2 1 1 中继通信系统研究进展 对无线中继的研究开始于上世纪六七十年代，v a nd e rm e u l e n 首先在信息论中 研究了中继信道的容量【2 4 1 。最近几年，随着无线通信发展，许多学者针对衰落信 道下中继信道的容量、协作分集等领域进行大量的研究。l a n c m a n 、s e n d o n a r i s 等 人发现即使每个用户只配备一根天线，各用户也可以通过共享他们之间的天线和 其它资源，利用分布式传输和信号处理方法可以获得空间分集增益【2 5 1 。由于这种 空间分集是利用用户之间的协作产生的，所以被定义为协作分集。l a n e m a n 在文 献【2 5 】中具体介绍了三种不同的协作分集协议，固定中继协议、选择中继协议和增 量中继协议。固定中继协议规定协作伙伴在固定的时隙传输数据给源节点；而选 择中继协议允许发送端根据检测到它周围用户的信道条件来选择一个合适的协作 伙伴；增量中继的协议要求目的节点返回一个比特的信息告知源节点和协作伙伴 译码是否成功，当源节点到目的节点的信息不能被正确接收的时候，协作伙伴才 帮助源节点转发数据给目的节点，最后由目的节点把这两部分信息合并。在三种 协议中，在提高频谱利用率方面增量中继比固定中继协议和选择中继协议优越。 随着移动通信技术的发展，用户对服务的多样性以及服务质量都提出了更高 的要求，如何利用有限的频谱资源为更多的用户提供更全面的服务成为现阶段关 注的重要问题之一。为了解决这一问题i e e e 多0 2 1 6 j m 和l t e a 中将中继列为了 下一代网络的关键技术。l 对于中继辅助通信网络最早源于中继协作的中继信道模型，随后又陆续出现 了多中继并行传输的模型以及多跳的模型等。由于用户所处位置的差异，其与基 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章相关理论知识 站间的通信可以通过一个中继站的协作完成，也可以通过多个中继站的联合协作 完成。 下面从网络结构的角度分别介绍几种典型的中继辅助通信系统的传输模型， 并介绍运用于其中的典型技术。 2 1 1 1 中继协作传输模型 s d 图2 1 中继的基本模型 中继协作传输模型最早由v a nd e rm e u l e n 提出，c o v e r 和e 1g a m l 对其做了详 细的理论推导和性能分析。近年来，陆续有学者对不同信道衰落环境下的中继协 作通信系统做了一些具体的分析。在中继协作传输模式下，除了具体的信道衰落 特性会影响系统的性能，中继端具体工作模式的选择也至关重要。按照信号处理 的方式，中继的工作模式可以大致分为放大( a f ) 模式、解码( d f ) 模式、选择( s r ) 模式以及编码协作( c c ) 模式等。 按照接收发送信号的关系，也可以把它们分为两种基本模式：模拟模式和 数字模式。在中继的模拟模式中，信号不需要经过数字化的处理就被中继发送出 去，因此又被称为“非再生中继，a f 模式就属于这种中继。相对地，在中继的 数字模式下，中继需对信号进行解码、编码后再发送出去，因此又被称为“再生 中继 ，d f 和c c 就属于这一类。 在各种模式之间选择时，可以根据中继所处位置的不同来选择不同的中继模 式以提高通信质量。如果中继距离用户较近，可采用a f 模式，然后利用基站或者 中继站处理能力强的特点来进行正确检测和解码；如果中继距离基站较近，为了 对抗衰落，可采用d f 模式来提高分集度。 图2 2 多源协作中继网络示意图 此外，中继协作传输模型还有如图2 2 的情况，多源协作是属于中继辅助通信， 重庆邮电大学硕士论文 第二章相关理论知识 该网络包含多个需要发送数据的源节点 2 6 】。图2 2 所示为两个源节点协作发送它们 的消息给某个共同的目的节点( 中心节点) 或一个目的节点集合。这模拟了单个 源不能满足在其目的端q o s 求，但经由网络中其它源节点的辅助可以达至l j q o s 要求的场景。 2 1 1 2 两跳多中继并行传输模型 图2 3 并行中继网络示意图 如图2 3 所示，基站通过多个并行中继与一个或多个用户进行通信。这里的中 继可以由普通的用户来承担，也可以是专门用于转发数据的中继站。用户型的中 继与中继站相比最大的差别在于，用户型的中继在协作传输其他用户信息的同时， 本身也有通信的需求；而中继站只需要转发用户的数据，本身并不需要发送数据， 其只需要收发少量的控制信令，用于信道同步和传递信道信息等。 基于中继站的两跳多中继并行传输网络可以利用多中继站间的窄间分集，同 时为多个用户提供多数据链路。这样的网络也可以看成是一个分布式的多天线系 统。与传统分布式多天线系统不同的是，中继站与基站问的通信是通过无线链接 的，而不是通过有线的光纤网络传播。采用高效的发送和接收机制，以保证第一 跳的传输性能将是影响整个系统传输能力的关键。本论文主要对此类中继网络中 的各个节点如何分配功率进行研究。 2 1 1 3 多跳多中继网络传输模型 图2 4 多跳中继网络示意图 前面两种模型都是两跳中继的情况，实际中，通常引入自组织网络的思想形 成多跳多中继的网络传输模型。它可以提高蜂窝中基站的通信覆盖面，增强了抗 毁性。这种多跳多中继网络传输模型的构建源于m e s h 网络，但又不同于m e s h 网 络。在m e s h 网络中，网络中的任意节点都可以进行直接的通信，而在多跳多中继 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章相关理论知识 网络传输模型中，仍然保留了每一跳间层与层的关系。这时，由于每一个中继站 都需要在上层和下层通信节点中寻找通信目标并与之建立通信链路，因此要求每 个中继站都必须