無線中繼系統(tǒng)的跨層設計、資源分配和天線選擇研究.pdf

1、無線中繼技術，已被用于Ad hoc/sensor網絡和無線mesh網絡，同時將被IEEE802標準組織納入802.11、802.15、802.16、802.22等標準，也是B3G/4G系統(tǒng)的重要研究內容之一，而OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）和MIMO（multiple input multiple output）是下一代無線通信系統(tǒng)物理層的核心技術，ARQ（automat

2、ic repeat request）協(xié)議是MAC（media access control）層提高傳輸可靠性的基本方法。因此，本文分別研究與截短ARQ、OFDM、MIMO相結合的中繼系統(tǒng)，通過跨層設計、資源分配優(yōu)化以及天線選擇技術，提高無線中繼系統(tǒng)的性能。 在中繼系統(tǒng)中，同一信息在兩個時隙內被重復轉發(fā)，在等長的時間內發(fā)送新信息量只有直接傳輸系統(tǒng)的一半。本文采用自適應技術提高傳輸速率，利用跨層優(yōu)化設計的思想和方法，研究基于截斷AR

3、Q協(xié)議的中繼系統(tǒng)吞吐量最大化問題。其中，在理論上導出了系統(tǒng)吞吐量的表達式，揭示了數據包包長和調制方式對系統(tǒng)吞吐量的影響，隨后設計了最大化系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化算法。在算法設計方面，首先設計出尋找最合適數據包包長和調制方式的二維優(yōu)化算法，進而設計出計算復雜度更低的基于信噪比的一維優(yōu)化算法。仿真結果證明了兩種算法的有效性。 在OFDM中繼系統(tǒng)中，資源分配的優(yōu)化是提高系統(tǒng)性能的重要手段。本文為此進行了三方面的研究。第一，為優(yōu)化OFDM協(xié)作通

4、信系統(tǒng)的頻譜效率，本文將傳輸策略選擇與發(fā)射功率分配、子信道指配等資源分配方式相結合，提出了聯(lián)合資源分配迭代算法，并證明了算法的收斂性。在此基礎上，本文進一步提出了簡化算法。仿真結果表明，本文的資源分配迭代方案和簡化方案的頻譜效率均優(yōu)于已有的兩種資源分配方案。第二，分別在理想反饋和反饋速率有限的條件下，通過功率分配實現(xiàn)解碼轉發(fā)OFDM中繼系統(tǒng)頻譜效率的最大化。在理想反饋條件下，發(fā)射機能夠獲得準確的信道狀態(tài)信息，本文導出了最優(yōu)的迭代功率分配

5、算法。在反饋速率有限的條件下，目標節(jié)點根據完整的信道狀態(tài)信息為源和中繼的發(fā)射機在一個有限長度的功率分配表中選取功率分配矢量，并把選擇結果反饋給源和中繼，本文說明了設計功率分配表的方法。仿真結果表明，與沒有反饋信息的平均功率分配策略相比，即使少量的反饋信息就能取得頻譜效率的增益；隨著反饋信息量的增加，頻譜效率逐漸逼近理想反饋時的系統(tǒng)性能。第三，針對半雙工OFDMA（orthogonal frequency division multipl

6、e access）中繼網絡，通過動態(tài)子信道分配、自適應功率分配、傳輸策略選擇和中繼選擇的聯(lián)合優(yōu)化，最大化用戶的總效用。為了公平利用中繼用戶的資源，把中繼用戶所能幫助的最大子信道數和分配給每個子信道的功率設為常量。在此基礎上使用貪婪算法解決資源分配問題。仿真結果表明，該算法改善了用戶間的公平性，能高效地利用資源。 在MIMO中繼系統(tǒng)中，天線選擇可以取得系統(tǒng)成本和性能的折中。在基于空時復用的MIMO中繼系統(tǒng)中，為了避免最優(yōu)算法——窮

7、搜索的高復雜度，本文分別為源節(jié)點、中繼節(jié)點和目標節(jié)點提出了快速天線選擇算法，其中，算法設計的目標是最大化系統(tǒng)容量，所有算法都是根據矩陣行列式、逆矩陣的性質導出的遞增算法。本文給出了算法的詳細推導過程。仿真結果表明本文提出的快速遞增算法在復雜度大大降低的同時，其中斷容量性能與最優(yōu)算法的性能很接近。另外，在基于Alamouti策略的MIMO中繼系統(tǒng)中，本文分析了幾種天線選擇策略的中斷概率，進而得到該系統(tǒng)的分集性能，表明天線選擇能夠取得全分集