（信号与信息处理专业论文）中继增强型蜂窝通信系统中的动态资源分配研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 j i i | u i y 17 5 4 0 8 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的| 一志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的伞部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 锅铱涣 日 摘 在未来无线通信系统中，中继技术是有效提升无线通信系统整体性能的关键技术之一，而自适 应资源分配对于有效利用有限的频谱资源和提高功率效率有着重要意义。如何在中继增强型蜂窝系 统架构下，合理的进行频谱分配、功率分配，逐渐成为研究重点。本文研究了中继增强型蜂窝系统 的动态资源分配问题，包括：子载波分配，自适应功率分配等，对各策略的性能进行了仿真和分析， 并与传统蜂窝系统进行比较。同时利用o p n e t 软件搭建了仿真平台，评测了新型l | i 继增强型蜂窝 通信系统资源分配方案的网络级性能。论文主要工作如下： 1 研究了o f d m a 中继增强型蜂窝系统中的子载波资源分配策略，分别研究了扩展轮询，贪 婪轮询，两跳平衡贪婪、部分比例公甲和联合路由的比例公甲这几种算法。 2 研究了o f d m a 中继增强型蜂窝系统中的功率资源分配策略，提出了一种迭代的中继功率 分配算法。 3 研究了m i m o o f d m a 系统下的自适麻资源分配问题，结合中继增强型蜂窝系统的资源分 配算法，提出了一种适用于多天线多中继的自适应资源分配算法。 4 研究了一种改进的减少c s i 需求的o f d m a 中继增强型蜂窝系统的资源分配方案，利用更 为实用的帧结构，分别针对单中继和多中继场景提出了相应的资源分配算法。 5 在o p n e t 和m a t l a b 的联合仿真平台上搭建了中继增强型蜂窝小区通信网络，从系统级 验证了动态资源分配算法对多用户o f d m a 中继增强型蜂窝通信系统的性能影响。 关键词：正交频分复用、中继增强型蜂窝系统、自适应资源分配、子载波分配、功率分配 a b s t r a c t r e l a y i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ni d e n t i f i e da so n eo fk e yt e c h n o l o g i e sf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e mi nt h ef u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s m e a n w h i l e ，a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o re f f e c t i v eu s i n go fl i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e sa n di m p r o v e i n gt h ep o w e re f f i c i e n c y c u r r e n t l y , t h e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n so fr e l a y - e n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r ka n da d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o nh a v eb e e n h o tr e s e a r c ht o p i c s i nt h i sp a p e r ，w er e s e a r c h e do nt h ea d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d m ar e l a y e n h a n c e dc e l l u l a rs y s t e m ，s u c ha sp o w e ra l l o c a t i o n ，s u b - c a r r i e r sa l l o c a t i o n ，e t c ，a n dc a r r i e do nl o t so f p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n sw i t hm a t l a b a tl a s t ，w ec o n s t r u c t e d as y s t e m - l e v e ls i m u l a t ep l a t f o r mi n o p n e ta n db a s e do ni tt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rs y s t e m t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o i l o w s ： 1 f i v ek i n d so fa d a p t i v es u b - c a r r i e r sa l l o c a t i o na l g o r i t h m su s e di no f d m ar e l a ye n h a n c e dc e l l u l a r s y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d t h o u g ht h es i m u l a t i o n ，w ea n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m si nt h ea s p e c t so f c e l ls p e c t r a le f f i c i e n c ya n du s e rf a i m e s s 2 an o v e lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dw h i c hc a l li m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u tb y a l l o c a t i n gt h ep o w e ro f t h er e l a y si t e r a t i v e l y 3 a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m s u s e di nm i m o - o f d m as y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d m e a n w h i l e ，w ep r o p o s ean o v e la l g o r i t h mw h i c hc a l l b eu s e di nt h em i m o o f d m ar e l a ye n h a n c e d c e l l u l a rs y s t e m 4 an o v e lr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hu s e di nr e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rs y s t e ma n dn e e d s f e w e rc s ih a sb e e ns t u d i e d w ep r o p o s es e v e r a la l g o r i t h m sw h i c ha d a p t e dt ob eu s e di nas i n g l er e l a ya n d m u l t i - r e l a ys c e n a r i or e s p e c t i v e l y 5 as y s t e m l e v e ls i m u l a t ep l a t f o r mi no p n e ti sc o n s t r u c t e da n dw eb a s eo ni tt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fr e l a y e n h a n c ec e l l u l a rn e t w o r k k e yw o r d s ：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 ga c c e s s ( o f d m a ) ，r e l a ye n h a n c e dc e l l u l a r s y s t e m ，a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o n ，s u b - c a r r i e r sa l l o c a t i o n i l l 目录 摘要l a b s t r a c t 1 1 1 目录1 - 7 图表目录i x 第1 章绪论1 1 1o f d m 技术概述1 1 1 1o f d m 的发展历程l 1 1 2o f d m 系统的优缺点2 1 1 3o f d m 的应用现状3 1 2m i m o 技术概述3 1 2 1m i m o 简介3 1 2 2m i m o 信道容量3 1 3 中继技术概述5 1 3 1 中继简介5 1 3 2 中继增强型蜂窝网络6 1 4 移动通信网络中的动态资源分配研究6 1 5 本文的主要工作7 第2 章o f d m a 中继增强型蜂窝系统中的资源分配策略9 2 1 网络架构、帧结构及系统模型。9 2 1 1 网络架构9 2 1 2 帧结构1 0 2 1 3 系统模型1 0 2 1 4 资源分配流程1 2 2 2o f d m a 中继增强型蜂窝系统子载波分配策略1 2 2 2 1 扩展轮询算法( e r r ) 1 2 2 2 2 贪婪轮询算法( g p ) 13 2 2 3 两跳平衡贪婪算法( b g ) 1 4 2 2 4 部分比例公平算法( p p f ) 17 2 2 5 联合路由选择的比例公平算法( j r p f ) 。2 0 2 3o f d m a 中继增强型蜂窝系统功率分配策略2 3 2 3 1 注水定理2 3 2 3 2 自适应迭代功率分配算法。2 3 2 4 本章小结2 7 v 第3 章多天线o f d m a 系统中的动态资源分配策略2 9 3 1 系统模型。2 9 3 1 1m i m o 信道模型2 9 3 1 2m i m o o f d m a 系统模型。，2 9 3 2 多天线o f d m a 动态资源分配策略3 l 3 2 1 最优化功率分配3 1 3 2 2 次优化分配准则3 4 3 2 3 仿真结果与分析3 5 3 3 多中继多天线动态资源分配策略3 8 3 3 1 算法准则3 8 3 3 2 步骤流程4 0 3 3 3 仿真结果与分析4 1 3 4 本章小结。4 3 第4 章降低c s ! 需求的中继增强型蜂窝系统资源分配策略4 5 4 1 系统模型和帧结构4 5 4 1 1 系统模型4 5 4 1 2 帧结构4 6 4 2 单中继下的动态资源分配策略4 7 4 2 1 单中继固定时分算法( s f t d ) 4 7 4 2 2 单中继自适应时分算法( s a t d ) 5 0 4 2 3c s i 需求分析5l 4 2 4 仿真结果与分析5 l 4 3 多中继下的动态资源分配策略5 3 4 3 1 多中继并行激活算法( m r p a ) 5 3 4 3 2 多中继自适应激活算法( m r a a ) 5 4 4 3 3 仿真结果与分析5 5 4 4 本章小结5 8 第5 章中继增强型蜂窝系统资源分配策略系统级仿真5 9 5 1o p n e t 软件介绍5 9 5 1 1o p n e t 软件特点5 9 5 1 2o p n e t 建模方法6 0 5 1 3o p n e t 无线信道建模6 2 5 2o p n e t 与m a t l a b 联合仿真。“ 5 2 1o p n e t 与m a l r l a b 接口机制6 4 5 2 2 动态链接库( d l l ) 的生成6 5 5 2 3 联合仿真环境变量设置6 7 5 3 仿真结果分析6 9 5 3 1o p n e t 节点设计6 9 5 3 2 仿真场景7 2 75 - 3 3 系统性能分析7 2 5 4 本章小结。7 6 第6 章结束语7 7 6 1 本文工作总结。7 7 6 2 未来： 作展望7 7 6 3l 右语7 8 致谢7 9 参考文献8 l v i i 卜 图 图 图 图 1 1 1 2 2 1 2 2 图2 2 3 图2 2 - 4 图2 2 5 图2 2 6 图2 2 7 图2 2 8 图2 3 1 图2 3 2 图3 1 1 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 _ 4 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 - 4 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 2 1 图4 2 2 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图5 1 1 图5 1 2 图表目录 中继增强型蜂窝小区示意图9 o f d m a t d dr e c 系统帧结构示意图1 0 e r r 子载波分配策略示意图13 b g 算法f 的系统频潜利用率性能l6 b g 算法下的各用户公平性性能1 7 p p f 算法下的系统频谱利用率性能1 9 p p f 算法下的各用户公平性性能1 9 j r p f 算法下的系统频谱利用率性能2 l j r p f 算法下的各用户公平性性能2 2 j r p f 算法下的各用户公平性性能( 极端情况) 2 2 g p 算法与自适应功率分配算法下的系统频谱利用率性能2 6 b g 算法与自适应功率分配算法下的系统频谱利用率性能2 6 多用户多载波m i m o 系统下行链路模型3 0 系统频谱利用率性能v ss n r ( s n r 较小区域) 3 6 系统频谱利用率性能v ss n r ( s n r 较大区域) 。3 6 系统频谱利用率性能v s 用户数。3 7 系统频谱利用率v ss n r 随天线数的变化3 7 o f d m a 中继增强型蜂窝系统下行链路系统模型3 8 系统频谱利用率性能v s 用户数( 用户随机分布) 一4 1 系统频谱利用率性f l 皂v s 用户数( 用户分布在小区边缘) 4 2 系统频谱利用率v s 用户数随天线数的变化一4 2 单中继情况系统模型4 6 多中继情况系统模型一4 6 单中继情况下帧结构4 7 单中继系统吞吐量性能( 用户随机分布) 5 2 单中继系统吞吐量性能( 用户分布在小区边缘) 5 2 m r p a 算法帧结构5 3 m r a a 算法帧结构5 4 多中继系统吞吐量性能( 用户随机分布) 5 6 多中继系统巾断概率性能( 用户随机分布) 5 6 多中继系统吞吐量性能( 用户分布在小区边缘) 5 7 多中继系统中断概率性能( 用户分布在小区边缘) 5 7 系统建模与仿真流程6 0 o p n e t 三层模型6 l i x 图5 1 - 3 链路级仿真器与系统级仿真器接l j 图5 1 - 4 包完整的结构 图5 1 5 发信机的管道阶段模型 图5 1 6 收信机的管道阶段模型二 图5 2 1d l l 文件的生成过程。 图5 3 1o p n e t 基站节点模型 图5 3 2o p n e t 基站进程模型 图5 3 3o p n e t 中继进程域模型 图5 3 4o p n e t 中继进程模型 图5 3 5o p n e t 用户进程模型 图5 3 6 中继增强型蜂窝系统仿真平台 图5 3 7 中继增强型蜂窝系统总体吞吐量( 固定用户场景) 图5 3 8 中继增强型蜂窝系统总体吞吐量( 移动用户场景) 图5 3 9 不同小区用户数总吞吐量对比 图5 3 1 0 不同用户吞吐量比较( 轮询算法) 图5 3 1 l 不同用户吞吐量比较( 两跳平衡贪婪算法) 图5 3 一1 2 不同用户吞吐量比较( 部分比例公平算法) x 第1 章绪论 现代蜂窝网络不仅要为用户提供高质量的语音通话服务，还要支持大量数据传输业务，如无线 因特网、多媒体、文件传输和下载业务。这对未来蜂窝系统提出了新的要求，即增加系统吞吐量并 扩大高数据传输速率的覆盖面积。然而，传统蜂窝网结构表现出不少缺点，主要包括：1 ) 小区覆盖 面窄；2 ) 在热点区域容量饱和时，实现流量转移比较网难；3 ) 以基站为中心，不仅使基站复杂度 高，而且抗毁性能差；4 ) 小区边缘用户的信道条件差，影响传输速率；5 ) 受天线数目的限制，用 户分集度较低【误码性能和服务质量受到影响) 等。 新一代移动通信系统对频谱有效性和功率有效性提出了更高的要求，为了满足新的移动通信应 用需求，无线通信系统向高频段、高速率、高效率以及与因特网等其它网络融合的方向发展，同时 需要充分挖掘利用空问无线资源和采用新犁的网络结构，现有的蜂窝系统构架以及无线传输技术需 要进行较人的变革。 正交频分复用( o f d m ：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 ) 技术是一项非常有前景的 技术，在学术界和工业界都得到了广泛的关注。o f d m 是一种高效的多载波传输技术，由于o f d m 中各个子载波相互正交，在频域上各子信道相互重叠，因而它能够提供比普通频分复用系统更高的 频谱利用率。 为了更有效的提高系统吞吐量，仪利用更多的频谱资源足不够的，也是不切实际的，因此人们 想到利用无线信号的空问资源，也就足利用多天线发送和接收信号。其中，空间分集技术由于不需 要占用额外的传输时间、带宽而受到人们的青睐。多输入多输出( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 通信技术能够使信道容量相对发射或接收天线数渐进的以线性速率增长，因此可以极大地 提高系统容量和频谱利用率，从而满足高传输速率、高传输性能和高系统容量的要求，同时可以充 分利用空间分集提高通信系统性能。 另外，在蜂窝网络中加入中继站，被认为可以在不明显改变骨干网络结构的同时显著提高网络 传输性能，解决或部分解决蜂窝网存在的问题。所谓中继( r s ：r e l a ys t a t i o n ) ，是蜂窝网络中引入 的一个新的元素，是基站与用户之间传输数据的中间媒介。研究表明，基于中继的无线通信网络结 构可以有效的降低由于路径损耗所造成的功率资源浪费，提高频谱利用率，并可以利用自组织a d h o c 网的多跳连通思想提高网络的抗毁性能。由于中继在功能卜比基站简单很多，因此该方案建设 费用较低。采用巾继，可以增加接收信号的强度和稳定性，对于小区边缘用户尤其显著，从而可提 高系统总吞吐量、覆盖面积、用户o o s 等。 1 1 o f d m 技术概述 1 1 1o f d m 的发展历程 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但是直到1 9 6 6 年c h a n g - 等a l l 才在首次阐明了 我们现在称之为o f d m 的技术，他提出一种在线性带限信道上同时传输多路信号的方法，可以同时 避免信道问干扰( i c i ：i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号问干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。由 c h a n g 提出的多信道传输系统与传统多载波传输技术的区别在于子载波的频谱可以相互重叠，其条 l 东南大学硕上学位论文 件是它们必须是正交的。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 2 1 将离散傅：泣叶变换( d f t ：d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 应用于o f d m 系统的调制与解调，而d f t 可由快速傅立叶变换( f f t ：f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 高效地实现。这样 系统就无需用一组振荡器来产生多个子载波，而是通过基带处理实现频分复用，从而大大地降低了 调制解调的复杂度。为了消除线性时不变信道的i c i 和i s i ，他们提出通过插入一段空白区作为保护 间隔来消除o f d m 块间干扰，但是这并不能保证信号经过弥散信道后各予载波仍保持正交性。 在o f d m 的发展过程中，另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r u i z 3 1 。他们在1 9 8 0 年提出了循 环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于保持子载波的正交性。与通常在符号间插入空白保护间隔 的做法不同，他们提出在发射端作i f f t 之后将o f d m 符号的后一段样点值复制到该符号的前面作 为循环前缀。从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷积，在接收端作f f t 之前先舍 弃循环前缀i | l 的各样点。于是，当c p 长度大于信道的最大时延扩展时，可以消除前一个o f d m 块 的延迟分量对后一个o f d m 块所造成的干扰。当然o f d m 系统巾加入循环前缀，会带来发射功率 和传输速率的损失，因此在实际系统中可以根据信道特性选择c p 的长度。 1 1 2o f d m 系统的优缺点 o f d m 技术有以下优点1 4 l ： 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效 地减少由于无线信道的时问弥散所带来的i s i ，减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用 均衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除i s l 的不利影响。 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信 道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱 相互重叠，冈此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最人限度地利用频谱资源。 各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅立叶反变换( i d f t ：i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换( d f t ) 的方法来实现，在子载波数很大的系统中，可以通过 采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。而随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，快速傅立叶 反变换( i f f t ：i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 与f f t 都是非常容易实现的。 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输 量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实 现上行和下行链路中不同的传输速率。 o f d m 易于和其它多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，其中包括多载波码分多址 m c c d m a 5 1 ，跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等等，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行 信息的传输。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其传输信号是多个子信道的叠加，因此与单 载波系统相比，存在如下缺点1 4 j ： 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互重叠，这就对它们之间的正交性提出了严格的 要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频率偏移或发射机与接收机本地振荡 器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统予载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰( i c i ) ， 2 第l 章绪论 这种对频率偏差的敏感性足o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信 号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平 均功率比( p a p r ：p e a k - t o - a v e r a g e p o w e r r a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求， 因此町能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生 干扰，使系统的性能恶化。 1 1 3o f d m 的应用现状 目前，o f d m 技术已被众多无线传输标准采纳，例如数字音频广播( d b a ：d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) ，数字视频广播( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，无线局域网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) i e e e s 0 2 1 l a g 和h i p e r l a n 2 ，无线城域网( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ) i e e e s 0 2 1 6 标准等。此外，o f d m 也是未来移动通信系统的关键技术。可以预见，o f d m 技术具有广阔的发展前景。 1 2m i m o 技术概述 1 2 1m i m o 简介 下一代宽带无线通信系统需要为用户提供高速无线i n t e m e t 接入、无线视频以及移动计算等无 线多媒体业务。然而无线信道巾的衰落、多径干扰、噪声等成为影响无线通信质量的主要因素。从 信息论的角度已经证明，多天线技术可以大大增加无线通信系统的容量，改善无线通信系统的性能， 非常适合新一代移动通信系统中高速率业务的要求。m i m o 技术通过在发射端和接收端分别配置多 根天线，发送天线阵列和接收天线阵列被用来提供空间分集增益( 在给定传输速率情况下可以提高 可靠性) 和空间复用增益( 在给定传输町靠性的情况下提高传输速率) ，因此m i m o 技术可以充分 利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，有效地对抗无线信道衰落的影响， 大大提高通信系统的频谱利用率和信道容量。从b e l l 实验室公布的数据中，采用8 天线收发的 d - b l a s t 系统可以获得4 2 b p s h z 的频谱利用率，是单天线收发系统的4 0 多倍。现在m i m o 技术 已经在通信系统中得到广泛应用，如b e l l 实验室的b l a s t 试验系统、3 g p pl t e 的w c d m a 系统、 3 g p p 2a i e 的c d m a 2 0 0 0 系统、无线城域网、无线局域网以及正在制定的移动宽带无线接入方案等 均已经采用或者计划采用m i m o 技术。 1 2 2m l m o 信道容量 信道容量是指信道能够支持的最大无差错传输速率，m 1 m o 系统在发送端和接收端之问建立了 多个空间子信道，t e l a t a d 6 1 和f o s c h i n i i r l 都指出m i m o 信道的容量可以成倍线性增加。下面总结了一 些平衰落m i m o 信道容量的有关公式。 对于一个坼发收的m i m o 系统，则有如下传输关系： r = f 土h s + i i ( 1 2 1 ) 1 n r 3 其中， 且其协 表示方 其中， 如 r ，= i ，则此时的信道容量为： 川 d e t ( ”击衄) ( 1 2 3 ) 若将m i m o 信道矩阵进行奇异值分解为：h = u a 2 v ，则m i m o 信道容量可表示为： c = 如( 1 + 表q 2 4 ， 式中，表不信道矩阵h 的秩，而五，i = l ，2 ，则为i - i h “的非零特征值。司见m i m o 信道的 容量可以分解为，个s i s o 子信道的容量之和。若发射端已知信道信息，可以对各子信道进行功率 分配，使式( 1 2 - 4 ) 取得最大值，即： c = 舡( + 最q 2 式中，以= e h 2 ) 表示了各子信道上的功率分配，且满足以= n r 。最优的组乃应当满足： 乃= 卜筹卜乩2 ：， 2 射 其中，( x ) + 定义为： ( x ) + = 之二三吕 c - 2 7 ， 满足式( 1 2 7 ) 的最佳功率分配- - 7 由“注水算法”求得。 以上讨论了确定m 1 m o 信道的容量，对于衰落m i m o 信道，其信道容量是一个随机变量，通 常用遍历容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 和中断容量( o u t r a g ec a p a c i t y ) 来描述。遍历容量是指随机m i m o 4 第1 章绪论 嘞隆g ：( t + 彘五) 2 剐 而发射端已知信道信息时的遍历容量为： 啪净g ：( 1 + 器五) ) 2 圳 中断容量用于衡量某个信道容量取值的置信度，g 的中断容量c 口表示： e ( c q ) = g ( 1 2 1 0 ) 也就是说，对于( 1 0 0 一g ) 的信道实现都能保证不小于e 的信息速率。 1 3 中继技术概述 1 3 1 中继简介 无线中继是一种接收其他站点信号，并根据接收到的信号产生自身发射信号的装置。根据信号 处理方式的不同，中继的：f 作模式主要分为：放大转发中继模式( a f ：a m p l i f y a n d f o r w a r d ) 、解码 转发中继模式1 8 1 1 9 ( d f ：d e c o d e a n d f o r w a r d ) 和编码协作模式1 1 0 1 1 1 u ( c c ：c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。放大 转发中继又称为非再生中继( n o n - r e g e n e r a t i v e ) ，中继只是简单地放大和转发收到的信号，在放大 转发的过程中将接收信号的噪声部分也放大并转发出去了。解码转发中继又称为再生中继 ( r e g e n e r a t i v e ) ，中继将接收到的信号进行解码，然后重新编码转发给目标站，因此不会对噪声进 行放大和转发。以上三种中继工作模式各有优缺点，为了发挥它们的优势，中继节点可同时配置多 种工作模式，根据实际场景及用户反馈信息决定采用何种工作模式，使得在完成通信的前提下，最 优化中继系统性能。 近年来由于分布式网络技术和m i m o 通信技术的飞跃发展，有关中继技术与它们相融合的思想 就获得研究者的亲睐。人们深入研究了各种中继网络的容量、中继策略与m i m o 协作中继，以及其 中的各种动态资源分配问题，得出了很多有价值的结论。研究【1 2 1 【1 6 i 表明，中继技术在扩展覆盖、提 高容量、改善小区边缘频谱效率、消除盲区、降低网络建设及维护成本、自回程传输( s e l f b a c k h a u l i n g ) 、灵活部署这几个方面都有用武之地。在传统小区内，靠近基站较近的用户可以获得高 速率的通信，但小区边缘用户可以获得的传输质量较差；在中继增强型小区中，则不会出现通信质 量过差的区域，同时，基站可以动态地为多用户分配资源，通过中继的优化调度，平衡小区内局部 区域过重的通信负荷，小区的平均吞吐量还会获得提升。 正是由于中继技术多方面的优越性，除了学术界的研究之外，一些国际标准组织( 3 g p p ，3 g p p 2 ， i e e e8 0 2 1 6 j ，i e e e 8 0 2 1 6 m ) 和国际研究计划( 如欧盟的w i n n e r 计划和f i r e w o r k s 计划) 也 对中继技术进行了较系统的研究。欧盟的w i n n e r 计划和i e e e8 0 2 1 6 j 标准都提议将中继技术作为 下一代通信系统( 4 g ) 的主要技术之一，并提出了各自的中继增强型通信系统方案。 5 东南大学硕上学位论文 1 3 2 中继增强型蜂窝网络 作为中继技术的载体一中继增强型通信网络，其拓扑建模足所有中继技术研究的基础。最初， 中继大多应用在无线传感器网络中完成多跳通信，其中中继节点只是移动用户在不处理q k 务时担任 的另一种角色。 y a n i k o m e r o g l u 在文献1 1 7 1 1 8 1 中提出建立一种中继增强的多跳蜂窝通信系统，辅助每跳通信的中 继站位于以基站为中心，不同固定距离为半径的环带上。欧盟的w i n n e r 计划在文献1 1 9 】中提出了 独立设计中继节点，及在乡村场景( u r b a na r e a ) 、曼哈顿场景( m a n h a t t a na r e a ) 和室内场景( l o c a l a r e a ) 下的中继增强型蜂窝网络