基于有限反饋的OFDM中繼協(xié)作網(wǎng)絡的聯(lián)合資源分配.pdf

1、伴隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，準確、高速、大容量已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要特征，然而通信范圍的不斷擴大，通信環(huán)境的更加復雜多樣，導致了通信信道中嚴重的衰落和干擾等其非理想特性的產(chǎn)生。多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術充分利用空間分集來實現(xiàn)無線信道的抗衰落，它能在不增加帶寬的前提下大幅提高通信網(wǎng)絡的信道容量和頻譜利用率。然而，在許多應用場景中很難直接應用MIMO技術，例如無線傳感器網(wǎng)絡和

2、自組織網(wǎng)，移動終端或者網(wǎng)絡節(jié)點受到功耗、價格以及自身尺寸的限制，終端和節(jié)點無法使用多根天線。此時，中繼協(xié)作分集概念應運而生。其原理是無線通信系統(tǒng)通過中繼節(jié)點的協(xié)作形成一個虛擬的MIMO系統(tǒng)，從而獲得分集增益，它在克服了傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)對移動終端設備限制的同時，增加了系統(tǒng)的覆蓋范圍和通信的可靠性，在無線傳感器網(wǎng)絡、無線AdHoc網(wǎng)、無線Mesh網(wǎng)、以及蜂窩網(wǎng)等系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景。另一方面，作為一種正交多載波調制技術，正交頻分復用(O

3、FDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)以其優(yōu)越的抗多徑性能和更高的頻譜效率成為下一代通信系統(tǒng)物理層核心技術。而OFDM技術與中繼分集技術的結合，能夠更好地改善數(shù)據(jù)的傳輸速率和通信的可靠性。但同時會使通信系統(tǒng)中的資源優(yōu)化分配問題變得更加復雜，因為它需要把子載波和功率等資源聯(lián)合分配給系統(tǒng)中的各節(jié)點。此外，在OFDM中繼通信的各跳中，子載波上的信道衰減相互獨立，因而子載波匹配便顯得極其重

4、要。本文以OFDM中繼系統(tǒng)中的功率分配和子載波匹配技術作為主要研究內容，并提出一種基于有限反饋的資源分配策略。主要內容如下:
　　 1.在假設發(fā)送端與中繼節(jié)點具有完全信道狀態(tài)信息的前提下，本文提供了一種低復雜度的聯(lián)合資源分配算法，包括兩跳的子載波匹配以及子載波的功率分配。在總功率受限以及個體功率受限兩種應用場景中，論文分別對解碼一轉發(fā)(DF，Decode-and-Forward)，放大一轉發(fā)(AF，Amplify-and-For

5、ward)兩種轉發(fā)機制進行了探討。由于子載波匹配限制條件的特殊性，優(yōu)化問題表現(xiàn)為一個混合整數(shù)規(guī)劃(MIP，Mixed Integer Programming)問題，基于多載波系統(tǒng)資源分配問題的特殊性，論文采用對偶化方法獲得了該優(yōu)化問題的閉式解。仿真結果驗證了文中的分析，通過與現(xiàn)有算法的比較，揭示了新算法的可行性和有效性。
　　 2.在實際OFDM中繼通信系統(tǒng)中，由于受到迂回滯后、信道估計誤差、反饋鏈路容量有限等因素的制約，發(fā)送端

6、及中繼節(jié)點很難獲得完全信道狀態(tài)信息。本文對基于有限比特反饋的OFDM中繼系統(tǒng)資源分配策略優(yōu)化進行了研究，并提出了基于有限比特反饋的最優(yōu)功率和子載波聯(lián)合分配方案?；谟邢薹答伒馁Y源分配策略優(yōu)化的關鍵在于碼本設計。論文提出了基于容量最優(yōu)化準則的新碼本設計算法，并設計了新的失真函數(shù)，改進了通用的Lloyd算法。通過仿真，論文驗證了只需要有限比特的反饋便可以給系統(tǒng)帶來較大的性能增益。
　　 3.分析發(fā)現(xiàn)，在三節(jié)點中繼分集網(wǎng)絡中，在某些信

7、道狀態(tài)下，中繼在第二時隙并不進行轉發(fā)。在OFDM通信系統(tǒng)中，這種現(xiàn)象則表現(xiàn)為部分子載波在第二時隙處于空閑狀態(tài)，并沒有得到充分利用。本文提出一種改進型AF與DF機制，在第二時隙允許源節(jié)點在那些空閑的子載波信道中發(fā)送新的信息。從而更加充分地利用系統(tǒng)頻譜資源。論文提出了一種基于改進型AF(DF)功率分配和子載波匹配算法。仿真發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的中繼機制，基于OFDM改進型中繼系統(tǒng)獲得了顯著的容量提升。
　　 4.為了驗證所提出改進型算法