（信号与信息处理专业论文）基于中继的ofdm系统无线资源管理关键技术的研究.pdf

ll n ， d o c t o r a ld i s s e r t a t i o no f b e i ji n gu n i v e r s i t y o fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s r e s e a r c ho nk e y t e c h n i q u e so fw i r e l e s s r e s o u r c em a n a g e m e n ti no f d m s y s t e m b a s e do n r e l a y i n g ( s u b m i t t e d t ob e i j i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n d t e l e c o m m u n i c a t i o n sf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g ) s h ij i e d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f w e i - l i n gw u m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g m a y 2 0 0 9 - _ 寸 独创性说明 本人声明所呈交的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。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或论文而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：正乜日期弘7 年石月2 日 关于论文使用授权的说明 本论文作者完全了解北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构交送论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授权北京邮电大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。可以采刚影印、缩印或扫描等复制 手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 期：弘口7 年b 月z 中日 - _ 飞 中文摘要 摘要 近些年来，随着移动通信、数据通信和i n t e r n e t 网络的飞速发展， 人们对下一代的无线通信网络提出了更高的要求。它不仅要能够为用 户提供满足q o s 需求的服务，特别是高速率、低时延的多媒体业务， 还应具有网路拓扑可伸缩、建网成本低的特点，以满足运营商对未来 商用网络的期望。o f d m 技术具有抗多径衰落、频谱效率高的优点， 而中继技术则可以有效的增强无线覆盖、降低网络建设成本、甚至在 协作中继模式下提升链路的信道质量，将o f d m 技术和中继技术的 结合应用在无线通信网络中，已成为理论界和工业界普遍认可的未来 无线网络的发展趋势之一。 灵活有效的无线资源管理对无线网络的设计有着十分重要的作 用，本文针对基于o f d m 技术的无线中继系统的无线资源分配和分 组调度进行了研究，重点分析了o f d m 中继链路和基于中继的 o f d m a 蜂窝网的资源分配问题，并对基于中继的无线m e s h 主干网 的分组调度进行了探索。这些工作得到了“9 7 3 计划项目“多域协同 宽带无线通信基础研究 ( n o 2 0 0 7 c b 3 1 0 6 0 4 ) 、国家自然科学基金项 目“未来无线网络的分布式处理理论研究 ( n o 6 0 7 7 2 1 0 8 ) 以及与 中国移动研究院合作的“无线m e s h 关键技术研究”等项目的支持和 资助。本文的主要内容如下： 本文在回顾了无线中继通信的发展、说明了当前无线中继通信面 临的挑战之后，首先对无线中继通信的起源无线中继链路进行研 究。针对两跳协作式中继链路，以最大化系统的容量为目标，利用功 率分配的结论，提出了a f 、d f 模式下启发式子载波分配策略，提出 的算法复杂度低且明显地提升了容量。然后，将两跳的中继链路扩展 到多跳链路，在系统总功率受限的条件下，利用单亲遗传算法的思想， 提出了功率和子载波联合优化的无线资源分配策略。针对a f 模式， 利用归纳法，将复杂数学模型等价为一般模式，进一步利用拉格朗日 子算法和功率注水定理，提出了适用于单载波多跳中继链路的最优功 率分配方法，并以此方法为基础提出了可用于多载波的自适应功率分 配算法。将该功率分配算法应用于联合优化策略，系统的容量得到了 进一步显著提升。 在完成中继链路的研究之后，本文的第四章将中继引入o f d m a 中文摘要 蜂窝网，研究这种增强型蜂窝网的无线资源分配问题。不同于一般的 研究过程，本文依据博弈理论和纳什议价解，建立了满足用户q o s 需求且兼顾用户公平性的无线资源分配模型。根据纳什议价解的存在 条件，提出了新颖的子载波分配算法，这种算法在满足用户最低速率 需求的前提下，公平地获取网络的无线资源，并提升了整个网络的频 谱效率。在确定子载波分配后，研究了o f d m a 中继蜂窝网的最优的 功率分配问题，提出了一种高效的功率分配方法，使得系统容量进一 步提高。 上述的中继链路和中继蜂窝网的无线资源分配都是采用集中式 分配方法，针对分布式的无线m e s h 主干网，论文研究了m r m c ( m u l t i r a d i o m u l t i c h a n n e l ) 技术下的分布式无线m e s h 分组调度。 在本文提出的分组调度策略中，每个m e s h 主干网的节点( m e s h 路 由器) 负责该节点内所有分组的调度。利用分组的路由信息，提出了 一种具有跨层思想的基于分组路由跳数的优先级判定准则，并根据改 进的功率注水方法，给出了适用于m r m c 的无线资源分配方法，仿 真结果显示提出的分组调度方法可有效降低分组的时延和丢包率。 论文的最后一章对全文的内容做了总结，并给出了基于o f d m 技术的无线中继网络的研究热点。 关键词：o f d m 中继无线资源分配分组调度中继蜂窝网无线 m e s h 网络 i i r 蕊 英文摘要 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n di n t e m e tn e t w o r k ，m u c hm o r e p e r f o r m a n c ef o rt h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a r ed e s i r e db yp e o p l e t h i sn e wt y p eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c a nn o to n l yp r o v i d eu s e r sw i t hh i g hq u a l i t yo fq o ss e r v i c e ，e s p e c i a l l y m u l t i m e d i ad a t a w i t hh i g h e rr a t ea n dl o w e rd e l a y , b u ta l s os h o u l dh a st h e c h a r a c t e r i s t i co fs c a l a b l en e t w o r kt o p o l o g ya n d l o wc a s t ，w h i c hi se x a c t l y t h eb u s i n e s s o p e r a t o r se x p e c t t h ef u t u r en e t w o r kt ob e o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) s h o w sg o o d r e s i s t a n c et om u l t i p a t hf a d i n ga n dl e a d st oh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c yi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i l er e l a yc a ne n l a r g ec o v e r a g ea n d r e d u c et h en e t w o r kc o s t e v e ni fi m p r o v et h ec h a n n e lq u a l i t yw h e nt h e r e l a yi sc o o p e r a t i v e t h er e s u l tt h a tc o m b i n a t i o no fo f d ma n dr e l a yw i l l b eu s e di nf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e ng e n e r a l l y a u t h o r i z e db yt h er e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r s e f f i c i e n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n t h ed e s i g no fw i r e l e s sn e t w o r k ，i nt h ed i s s e r t a t i o n ，w es t u d yt h ep r o b l e m s a b o u tw i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o na n dp a c k e ts c h e d u l i n gu s e di nt h eo f d m c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hr e l a y i n gt e c h n o l o g y w ef o c u so nt h e r e s o u r c ea l l o c a t i o nf o rt h er e l a y i n gc h a n n e la n dt h eo f d m ae n h a n c e d c e l l u l a rs y s t e m ，a d d i t i o n a l l y , p a c k e ts c h e d u l i n gi ss t u d i e df o rw i r e l e s s m e s hb a c k b o n en e t w o r k l o t so ft h i sr e s e a r c hi s s u p p o r t e db yt h e n a t i o n a lb a s i cr e s e a r c h p r o g r a mo fc h i n a ( 9 7 3p r o g r a m ) n o 2 0 0 7 c b 3l0 6 0 4 n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n an o 6 0 7 7 210 8a n dt h ep r o g r a m “t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u e si n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k c o o p e r a t e dw i t hc h i n am o b i l ei n s t i t u t i o n t 1 1 e m a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： a f t e rr e v i e w i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dc h a l l e n g e so fw i r e l e s sr e l a y i n g c o m m u n i c a t i o n s ，f i r s t l y , t h er e s o u r c ea l l o c a t i o n f o rw i r e l e s sr e l a y i n g c h a n n e li ss t u d i e d f o rt w o h o pc o o p e r a t i v er e l a y i n gc h a n n e l ，o n e s u b c a r r i 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 d ，i tc o u l ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v e 1 i i ，t 英文摘要 s y s t e mc a p a c i t yb o t hi na fa n dd fs c h e m e sb a s e do nt h eg i v e np o w e r a l l o c a t i o nm e t h o d s ，t h ec o m p l e x i t yo ft h i sa l g o r i t h mi sa l s ov e r yl o w t h e n ，t h er e s o u r c ea l l o c a t i o nf o rm u l t i h o pc h a r m e li ss t u d i e du n d e rt h e c o n s t r a i n to f s y s t e mp o w e r i no r d e rt om a x i m i z et h es y s t e mc a p a c i t y , o n e j o i n tp o w e ra n ds u b c a r r i e ra l l o c a t i o ns t r a t e g ya r ee x p l o r e db yu s i n go f p g a ( p a r t h e n o g e n e t i c a l g o r i t h m ) i n a fs c h e m e ，t h e c o m p l e x m a t h e m a t i cm o d e lo fm u l t i - h o ps y s t e mi sc h a n g e di n t oa ne q u i v a l e n to n e b y i n d u c t i o n m e t h o d ， o p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o nf o r m u l t i h o p s i n g l e 。c a r r i e rs y s t e mi sd e v e l o p e db yt h em e t h o d so fl a g r a n g em u l t i p l i e r a n dp o w e r w a t e r - f i l l i n gm e t h o d ，t h ep r o p o s e da d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h mf o rm u l t i - c a r r i e rs y s t e mi sa p p l i e di nt h ej o i n ta l l o c a t i o n s t r a t e g ya n df u r t h e re n h a n c e dc a p a c i t y s u b s e q u e n t l y , w er e s e a r c hr e s o u r c ea l l o c a t i o nm e t h o df o ro f d m a c e l l u l a rn e t w o r kw i t hr e l a y i n gi nc h a p t e r4 d i f f e r e n tf r o mt h eg e n e r a l m o d e l ，t h ew i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o nm o d e lt a k i n gi n t oa c c o u n tu s e r q o sa n df a i m e s s i se s t a b l i s h e db a s e do ng a m et h e o r ya n dn a s h b a r g a i n i n gs o l u t i o n ( n b s ) as u b o p t i m a ls u b c a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m i sp r o p o s e di na c c o r d a n c ew i t hn b s ，i tc o u l dg r a n tt h em i n i m u mr a t eo f e a c hu s e r a n df a i r l ya l l o c a t es u b c a r d e r st oi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y a tt h es a m e a ne f f e c t i v ep o w e ra l l o c a t i o nm e t h o di sa l s os t u d i e da f t e r t h i ss u b c a r d e ra l l o c a t i o nw o r k ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti tc o u l d e n l a r g ec a p a c i t yg r e a t l y c e n t r a l i z e dw i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o nm e t h o d sa r eu s e di nr e l a y c h a n n e la n dw i r e l e s sr e l a y i n gc e l l u l a rn e t w o r ka b o v e ，d i s t r i b u t e dp a c k e t s c h e d u l i n g i ss t u d i e df o rw i r e l e s sm e s hb a c k b o n en e t w o r kw i t h m r m c ( m u l t i - r a d i o m u l t i c h a n n e l ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r5 e a c hm e s hr o u t e ri sr e s p o n s i b l ef o rp a c k e ts c h e d u l i n go fa l lp a c k e t si ni t s b u f f e r b yu s i n go ft h ep a c k e t sr o u t i n gi n f o r m a t i o n ，ap r i o r i t yc r i t e r i o ni s d e v e l o p e db a s e do nt h ec r o s s l a yo p t i m i z a t i o no fm a ca n dr o u t e r , a n d w i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o nm e t h o df o rm r m ci sd e s c r i b e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dp a c k e ts c h e d u l i n gm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ep a c k e td e l a ya n d p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y t h ef i n a l c h a p t e rg i v e st h es u m m a r yo ft h i sd i s s e r t a t i o na n d i v p r l 0 英文摘要 e m p h a s i z e st h ev a l u a b l er e s e a r c hd i r e c t i o n sf o ro f d m w i r e l e s ss y s t e m w i t hr e l a y i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：o f d m ，r e l a y , w i r e l e s sr e s o u r c e a l l o c a t i o n ，p a c k e t s c h e d u l i n g ，c e l l u l a rn e t w o r kw i t hr e l a y i n g ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k v 、厂。 英文摘要 v i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 研究背景l 1 2无线中继通信的历史和现状2 1 2 1 无线中继通信的发展2 1 2 2 无线中继的分类3 1 2 3 无线中继通信的挑战4 1 3论文的选题和结构7 1 3 1 论文的选题思路7 1 3 2 论文的框架结构7 1 3 3 论文的主要贡献8 1 4 本章参考文献9 第二章o f d m 两跳中继系统的无线资源分配1 3 2 1本章引论1 3 2 2 基本原理1 4 2 2 1o f d m 的基本原理1 4 2 2 2 各类中继模式下的容量计算1 6 2 3 系统模型1 7 2 4 功率分配1 9 2 4 1总功率受限的最优功率分配1 9 2 4 2 源节点和中继节点都受限的最优功率分配2 1 2 5联合优化策略2 3 2 6仿真结果和性能分析2 4 2 7 本章小结2 7 2 8 本章参考文献2 8 第三章o f d m 多跳中继系统的无线资源分配3 0 3 1本章引论3 0 3 2 系统模型3 1 v u 目录 3 3 基于单亲遗传算法的联合优化策略3 4 3 3 1 遗传算法原理3 4 3 3 2 联合资源分配策略3 5 3 4 功率分配3 8 3 4 1d f 模式下的最优功率分配3 8 3 4 2a f 模式下的最优功率分配3 9 3 5 仿真分析4 2 3 5 1 仿真说明4 2 3 5 2 仿真参数4 2 3 5 3 仿真结果与分析4 3 3 6 本章小结4 8 3 7本章参考文献4 9 第四章中继蜂窝网的无线资源分配5 1 4 1 本章引论5 1 4 2 系统模型5 3 4 2 1 网络模型5 3 4 2 2 博弈理论5 4 4 2 3 基于n b s 的无线分配问题描述5 7 4 3基于n b s 的无线资源配5 9 4 3 1 基于n b s 的子载波分配5 9 4 3 2 中继基站的剩余功率分配6 1 4 3 3 无线资源分配算法6 2 4 4仿真结果与性能分析6 3 4 5 本章小结6 5 4 6 本章参考文献6 6 第五章基于m r m c 的无线m e s h 网络分组调度6 8 5 1 本章引论6 8 5 2 相关调研7 1 5 2 18 0 2 1 6 系列中基于q o s 的分组调度7 1 5 2 2 蜂窝网的分组调度7 2 5 2 3 有线网络的分组调度机制7 4 5 2 4 针对无线m e s h 网络的调度算法7 4 5 3系统模型7 4 v l i i ， 目录 5 4 调度策略7 8 5 4 1 分组优先级准则7 9 5 4 2 无线资源分配算法8 1 5 5仿真结果和讨论8 4 5 6 本章小结9 0 5 7 参考文献9 1 第六章总结与展望9 3 6 1 总结9 3 6 2不足与展望9 4 附录基于二分法的功率注水定理9 6 符号与缩写说明9 7 致谢9 9 攻读博士学位期间发表的论文和撰写的专利1 0 0 i x 目录 x 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线通信发展至今，人们对无线通信网络的速率要求不断提高。第一代移动 通信系统以语音业务为主，传输速率约为l b p s 到1 0 b p s ，主要业务为模拟语音和 极低速数据；第二代移动通信系统在2 0 世纪9 0 年代兴起，传输速率约为1 0 k b p s 到1 0 0 k b p s ，主要业务是数字语音和低速数据( 如短消息) 业务；第三代移动通 信系统目前已经在全球很多地方商用，可提供中等速率的多媒体数据业务，速率 为1 0 0 k b p s 或2 m b p s 1 0 m b p s 1 2 1 。人们希望未来的无线通信系统能够提供高速的 业务服务，例如支持速率高达1 0 0 m b p s 一1 g b p s 的多媒体宽带数据业务，特别是 高速因特网的接入已成为无线网络发展的大趋势【3 】。因此寻求进一步扩大信道容 量、改善通信质量、保证网络可靠性的新技术是国内外学术界、产业界普遍关注 的问题。 为了满足未来的宽带无线通信系统的需求，o f d m 技术引起了业界的普遍 关注。它主要具有以下几个优点【4 】： 1 ) 抗多径衰落，o f d m 技术将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数 据，这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，即在频域内，通过 将频率选择性多径衰落信道转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响。 2 ) 频谱效率高；o f d m 技术利用f f t i f f t 现代信号处理技术，使得各子 载波上的信号可以部分重叠，理论上接近n y q u i s t 极限。此外，以o f d m 为基础的多址技术o f d m a ( j e 交频分多址) 利用其频率正交性有效地避 免用户间干扰，提高小区容量。 3 ) 频谱资源灵活分配；采用o f d m 技术的无线通信系统可以灵活的选择 适合的子载波进行传输，给各个用户分配最合适的子信道，充分利用频 率分集和多用户分集，实现动态的频域资源分配，提升系统的性能。 由于o f d m 具备的上述特点能够有效满足高速宽带通信的需求，很多通信 系统都采用o f d m 技术作为组网的关键技术。较早采用o f d m 技术的无线系统 包括d a b ( 数字广播) 和d v b ( 数字电视) 。随后，宽带无线接入系统i e e e 8 0 2 1l g a 、 8 0 2 16 d e 、8 0 2 2 0 ( 基于f l a s h o f d m ) 也以o f d m o f d m a 技术为核心基础。目 前正在研发的3 g p p l t e ( 长期演进) 技术已确定选用o f d m 及其改进型( 下行 o f d m 、上行s c f d m a ) 作为基本多址技术。 第一章绪论 人们希望未来的无线通信系统不仅能够提供高速的宽带服务，还希望系统能 够具有较高的覆盖率、尽可能低的建设成本。而中继技术通过在发送端和接收端 引入中继节点，加强了无线通信系统的覆盖能力、q o s 保障能力，有效降低系统 建设成本【5 】。因此，出现了各种以中继技术为基础的新颖的无线通信网络拓扑结 构，如对等式的a d h o c 网络，w s n 网络，主从式的中继蜂窝网，协作式的无线m e s h 网络等。近年来，这些基于中继技术的无线网络的系统性能评估、关键技术的研 究，一直是无线通信领域的研究热点。 将o f d m 和中继技术相结合并应用在移动通信网络中，能达到以下效果： 1 ) 实现数据的高速传输；o f d m 技术降低了多径衰落的引起的符号问干 扰，而中继技术的引入，特别是协作式中继也能有效地提升链路的信道 质量，为数据的高速传输提供了有力的支持。 2 ) 网络建设的灵活性增强；相对已有的容量受限的c d m a 网络，采用满 足频率正交性技术的o f d m o f d m a 网络，系统容量明显提升，频率资 源分配方式更加灵活。中继节点有效地提升了覆盖信号较弱地区的服务 质量，扩大覆盖范围。此外，在中继技术中加入合适的数字信号处理的 算法( 协作分集) 能更好地增强系统的稳定性【6 l 。 因此，o f d m 技术与中继技术的结合，可有效的保证用户的q o s 需求，维 持频谱的利用率，增强整个无线通信网络的可靠性、灵活性。目前，在下一代移 动通信系统的研究中，基于o f d m 技术的中继网络在学术界和产业界引起了普 遍的关注。i m t - a d v a n c e d 、8 0 2 1 6 x 等通信标准化组织都将这两者的结合纳入自 己的研究范畴中，许多公司、研究机构都已积极参与到这项研究工作中，给出具 有应用前景的标准化提案和研究成果【_ 卜8 1 。 1 2 无线中继通信的历史和现状 1 2 1无线中继通信的发展 对于无线中继通信的研究，始于中继信道。中继信道的概念最初由v a n d e r m e u l e n 在其博士论文【9 】中提出，在传统的源目的链路中引入新的中继节点，改 造了无线链路的模型。随后一些学者在信息论的层面做了更深入的研究，并将简 单的中继模型推广至协作式中继，其中以t mc o v e r 在1 9 7 9 年提出的离散无记忆 中继信道容量分析论文【1 0 】最为著名，其网络系统中包含一个源节点、一个中继 节点一个目的节点，利用随机编码的方法给出了信道容量的上下界。后来与中继 2 第一章绪论 相关的研究，特别是两跳网络的无线资源分配的系统容量建模都以此为研究依 据。最近几年，许多学者将两跳的中继系统推广到多跳网络，女1 g a s p t a r 等的文 献 1 1 1 1 3 ，分析多跳信道的中断容量、误码率性能等。这些研究扩展了无线中 继的概念，将中继信道从两跳延伸到多跳，从 1 0 】- 1 5 】中单个或者多个个中继节 点串行中继数据，演进至l j 1 6 1 7 】中多个中继节点并行转发数据。研究的协议层 次，从物理层的中继信道编码，扩展到上层的无线资源分配、路由和跨层优化等。 1 2 2无线中继的分类 如下图，中继信道利用中继节点的协助，将源节点的信息转发给目的节点。 通过中继可有效缓解源目的节点传输衰落引起的链路质量下降问题。依据中继 转发信号的方式，可分为不可再生中继和再生中继。不可再生中继时，中继节点 接收到信号后，直接放大转发到下一个节点，不进行解调和解码，称为a f 模式。 可再生中继时，中继节点将接收到的信号解码后进行处理，再将信号转发到下一 个节点，称为d f 模式。所以，a f 方式转发信息的同时也转发噪声，d f 方式转发 的信息中不含噪声，但设备的复杂度比较高。 除了上述转发时a f d f 的概念，根据目的节点对接收信号的处理方式，可分 为协作式中继和非协作式中继。在协作式中继中，目的节点不仅能够收到中继节 点转发的信号，还可以接收到源节点发送的信号，通过接收端合并技术，将两个 信号合并获取分集增益，如图1 2 。而在图1 1 的非协作式中继时，由于信道状况 恶劣，目的节点不能接收到来自源节点的信息，只能获得中继来的信息，即没有 分集增益的存在。 图1 - 1 非协作式的中继传输 图l - 2 协作式中继传输 3 第一章绪论 1 2 3 无线中继通信的挑战 随着人们对无线通信系统速率、可靠性、成本等要求的提高，无线中继逐渐 成为各类新型网络的关键技术，对无线中继的研究也逐步深入，走向应用阶段。 研究的问题从物理层的协作编码扩展到上层的资源分配、路由以及跨层优化，通 信系统的规模从单一的链路级中继信道逐步过渡到基于中继的无线网络( 中继蜂 窝网、无线m e s h 网络) 。当前，基于中继的o f d m 通信系统研究面临着如下挑战： 1 ) r e l a y 的三层设计 中继作为一种增强型技术被提出，将中继引入到大规模网络的建设中， 必然要考虑中继站点的设计。目前提出的中继方案主要有3 类：转发( 1 层) r e l a y ，2 层r e l a y 和自回程r e l a y 。 转发r e l a y 是将接收到的信号放大转发出去，设计起来比较简单，r e l a y 的延迟比较小。但是在放大信号的同时也放大了噪声，不能获得信噪比上的 增益，而且在扩展r e l a y 功能时系统复杂度很高。 2 层r e l a y 是将接收到的信号译码，再重新编码转发出去。这样不会放大 噪声，增大了信噪比。但是这样会引入直射信号和重发信号的干扰，导致双 方的同步困难，有比较大的延迟( 超过1 个t t i ) ，与现有的p h y ，m a c ， r l c ，p d c p ，r r c 协议有冲突。 自回程r e l a y 是在第3 层转发i p 包。这样能达到2 层r e l a y 的容量和特 性，而且不用增加新的节点和接口。但这种方案会大大增加系统的开销。 3 类r e l a y 方案各有优劣，在复杂度、对上层协议的影响、对网络构架的影响 和通信过程的影响等方面有很大差别，采用哪一类r e l a y 和如何使用该类r e l a y 要 综合考虑多种因素，目前l t e a d v a n c e d 等标准化组织正在针对r e l a y s _ = 层设计 进行探讨，力求选择一种设计方案能够在获取r e l a y 技术收益的同时，降低对原 有通信系统协议栈的影响【1 8 h 19 1 。 2 ) 基于中继的无线资源分配策略 在传统的一跳式蜂窝网中，通常由基站对所有的无线资源，如频率和时 隙进行集中式控制，小区间的干扰抑制、干扰协调也是基站和基站或者基站 和基站交换中心进行协商。而中继技术的引入，虽然减少了布置基站的开销， 提供了高速数据传输，从数学的角度分析，也同时增加了系统进行资源分配 的约束元素，如中继节点的功率限制，中继的频率分配集合等，使得无线资 4 第一章绪论 源分配的数学模型复杂化，算法设计难度加大。而系统的容量及覆盖范围与 资源分配策略有很大的联系，选用合理的资源分配技术，如带宽、功率等的 分配，对满足用户的q o s 和维持无线系统的高频谱利用率有着重要的影响。 虽然蜂窝( 单跳) 网络的资源分配方法是多跳网络的基础，但是根据上属的分 析，两者的数学模型存在较大的差异，直接把这些算法应用到多跳中继系统 存在很大困难。 文献 2 0 1 2 2 1 针对中继蜂窝网，在功率受限的条件下，分别以功率分配 和子载波分配为优化手段，提出了以最大化系统容量为目标的资源分配策 略。文献 2 3 将用户的q o s 需求作为优化目标，在满足用户最低服务要求的 同时，进一步提升系统的频谱效率，而文献 2 4 】，不仅考虑了用户的q o s 和 系统的频谱效率，还将用户的公平性纳入优化目标。可见，基于中继网络的 无线资源分配的数学模型设计应符合用户和网络的真实需要，而基于这个需 求的模型本身多是n p h a r d 问题，或者求解最优的过程非常复杂，不能应 用于实际网络，如何设计复杂度低而有效的无线资源分配策略的是当前的研 究热点。除了上述多用户网络无线资源分配策略，基于中继链路( 单用户) 的无线资源分配也有着十分重要的意义，【2 5 1 【2 8 】针对中继链路研究了功率 分配、子载波选择，如果链路的资源分配设计合理，那么整个系统必然可以 获得较优的性能。 3 ) 基于中继的分组调度 分组调度较上述的无线资源分配更加复杂，不仅要考虑资源分配，还要 在无线资源有限的条件下，选出最合适的用户进行资源分配。在中继蜂窝网， 若选择上述的自回程r e l a y 设计，则r e l a y 也具备了分组调度的能力。为了 满足用户的q o s 需求，r e l a y 和基站需要协调彼此的分组调度。【2 9 3 0 1 针对 r e l a y 设计了相应的分组调度协议，讨论了比例公平、轮询算法等在中继网 络中的应用，有关基于用户q o s 需求的分组调度还需要深入研究。在无线 m e s h 网络中，主干网的各个节点通过中继方式彼此协作通信。对于一个分 组，它在到达有线接入点前，实质是经历了多跳无线中继链路，这些分组来 源于不同的节点，因此，无线m e s h 网络实质是多跳无线中继网络。在多跳 无线网络中，每个主干网的节点应该根据自身的调度能力、整个无线主干网 的情况以及用户的q o s 属性合理的设计分组的优先级，力争让较多的分组 在其q o s 要求下到达目的节点。根据文献 3 l 】的介绍，无线m e s h 网络的分 组调度亦是当前无线多跳中继网络的关键问题的。 4 ) 跨层优化 第一章绪论 传统的通信系统采用分层体系结构，根据0 s i 参考模型或t c p i p 体系 结构，无线网络的协议栈从下至上分为五层：物理层，链路层( 细分为逻辑 链路子层( r l c 层) 和媒介接入控制子层( m a c 层) ) ，网络层，传输层，应用 层。在进行无线网络分层设计时，不同的层针对各自的优化目标进行设计， 彼此独立作业。层与层之间的接口是静态的，缺乏动态的信息交互，且各层 的设计和网络的约束和应用需求无关。每层对各自的设计目标进行独立的优 化，如物理层的主要研究问题是如何进行信号检测、编码和调制，达到更高 的数据传输速率、降低误码率，提高链路通信质量；m a c 层的主要研究问 题是如何充分利用已有的通信链路，依据用户的q o s 属性，合理正确调度 分组，并分配相应的无线资源；网络层负责将分组按照路由算法发送到指定 的节点，建立整个网络的拓扑链接。显然，这种设计方法弱化了整个网络的 整体功能p 川。