无线中继系统中资源分配与切换机制的研究

论文摘要

人们对随时随地的进行自由通信的渴望促进了无线网络的迅速发展,基于中继技术的无线网络的出现令传统无线网络一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题迎刃而解,中继技术成了满足下一代网络未来通信网络高容量、高速率和广覆盖需求的极有前途的方案。本文以无线中继系统为研究背景,研究无线中继系统中资源管理中的关键问题,重点对资源分配策略和切换机制进行了全面而深入的研究。本文从中继链路入手,分别研究了解码转发（DF）和放大转发（AF）方式的功率分配策略。对DF中继链路,通过充分利用端到端的系统中断概率的需求,提出了使系统总功率消耗最小化的功率分配策略。在保证相同的系统中断概率要求下,此分配策略相比考虑单独每跳的中断概率的传统功率分配方案,能得到更高的系统性能。针对MIMO-OFDM AF中继链路,从信息论的角度分析了其信道容量,并以最大化信道容量为优化目标,在中继端功率受限的条件下,提出了一种新的功率分配方法。所提出的算法复杂度较低并且能明显的提高中继系统容量。正交频分复用（OFDM）技术可以有效地对抗宽带通信中无线信道的频率选择性衰落,未来的通信系统广泛采用OFDM技术。但结合了OFDMA的中继系统的资源优化问题变得非常复杂,需要解决2个问题:1)路由问题,即用户（MS）和中继节点（RS）如何配对。2)资源分配问题,即为配对好的用户和中继节点如何分配资源。本文以OFDMA中继网络为研究背景,在用户最小速率限制下,以最大化系统吞吐量为优化目标,研究了路由和子载波联合分配的策略,针对以上优化问题提出了最优解和次优解:1)最优解:上述优化问题是一个二进制整数规划问题,一般的线性整数规划问题已经被证明是NP完全（NP-complete）问题,很难求解。而幸运的是,待求解的优化问题可以利用图论的知识来解决:产生新的网络流图,把原始的优化问题转化成与之等效的图论中的“线性最优分配”问题,然后利用图论中的算法来求解。此方法得到的是优化问题的最优解,且算法复杂度相对较低。路由的查找和子载波的分配在新生成的网络图上查找环路的过程中一并执行,实现了路由和子载波的联合分配。2)次优解:从几何学的角度,优化问题可以抽象到三维空间（路由、子载波和用户）,本文把三维空间的资源分配问题映射到二维平面（子载波和用户）上,映射的过程剔除了三维空间中的冗余元素,因此,该策略进一步降低了计算复杂度,并使得子载波分配策略更加灵活。这是一种具有启发式的资源分配方法,得到是优化问题的次优解。另外,映射的操作包含了路由的选择,实现了路由和子载波的联合分配。论文对中继OFDMA系统的分组数据调度算法也进行了研究,系统中考虑了多种业务,包括时延敏感业务和时延不敏感业务。为了提高系统吞吐量和降低丢包率,提出了考虑信道质量变化以及业务时延需求的自适应调度算法。调度策略采用路由和资源分配分离的方式,BS先为用户选择路由,然后考虑用户的传输速率、业务服务质量（QoS）和用户公平性,设计合适的调度准则来分配资源。所提出的算法在较低复杂度下既充分体现了OFDMA无线信道资源的多用户分集增益优势,又保证了其业务的时延QoS要求,仿真结果同时验证了中继OFDMA网络对于单跳OFDMA网络的优越性。切换是无线资源管理中一个重要的课题。在传统蜂窝网络中,当MS进行切换时,BS是MS唯一的切换目标。而在中继系统中,其切换节点可能是MS或RS,切换目标也不仅仅是BS,也可以为本小区RS或目标小区下的RS。单跳系统中的切换方法不再适用于中继系统,因此,本文提出了一套完整的切换方法,完成中继系统中的切换流程。同时,还提出了新方法以保证切换过程中下行链路数据传输的连续性。本文提出的切换方法和数据传输方法已申请多项专利,其中部分内容预埋IEEE802.16j标准。最后论文研究了宏分集切换中基于方向信息辅助的分集集合更新方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 中继无线通信系统概述
• 1.3 中继无线通信的发展和研究现状
• 1.3.1 中继信道
• 1.3.2 协作分集
• 1.3.3 中继系统资源管理中的关键技术
• 1.4 论文的主要贡献
• 1.5 论文结构
• 1.6 本章参考文献
• 第二章 中继链路的资源分配策略
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型
• 2.2.1 DF中继系统
• 2.2.2 AF中继系统
• 2.3 DF中继链路功率分配策略
• 2.3.1 两跳传输链路的功率分配策略
• 2.3.2 多跳传输链路的功率分配策略
• 2.3.3 仿真结果和分析
• 2.4 AF中继链路功率分配策略
• 2.4.1 系统模型
• 2.4.2 MIMO-OFDM中继链路的功率分配算法
• 2.4.3 仿真结果和分析
• 2.5 本章小结
• 2.6 本章参考文献
• 第三章 中继OFDMA网络的资源分配策略
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 问题描述
• 3.4 已有算法
• 3.5 基于图论的路由和子载波联合最优分配策略
• 3.5.1 图论中的预备知识
• 3.5.2 基于图论的问题转化
• 3.5.3 路由、子载波联合最优分配算法
• 3.5.3.1 算法步骤
• 3.5.3.2 具体实施例
• 3.5.3.3 算法复杂度分析
• 3.5.4 仿真结果分析
• 3.6 具有启发式的路由和子载波联合的次优分配策略
• 3.6.1 问题描述
• 3.6.2 基于几何学的问题转化
• 3.6.3 路由、子载波联合的次优分配算法
• 3.6.4 仿真结果分析
• 3.7 本章小结
• 3.8 本章参考文献
• 第四章 中继OFDMA网络的分组调度算法
• 4.1 引言
• 4.2 传统网络中的分组数据调度算法介绍
• 4.3 OFDMA中继网络的分组调度算法
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 业务类型
• 4.3.3 调度算法
• 4.3.4 算法效率
• 4.3.5 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 4.5 本章参考文献
• 第五章 中继网络的切换机制研究
• 5.1 引言
• 5.2 802.16e的切换流程
• 5.3 中继系统中的切换方法
• 5.3.1 中继网络中MS普通切换流程
• 5.3.2 中继网络中RS切换流程
• 5.3.3 RS切换中的MS切换流程
• 5.4 切换过程中的数据传输方法
• 5.4.1 802.16e切换过程中的下行传输
• 5.4.2 MS辅助的切换中的下行链路数据传输方案
• 5.4.3 RS辅助的切换中的下行链路数据传输方案
• 5.5 基于位置辅助的MDHO分集集合更新算法
• 5.5.1 系统模型
• 5.5.2 分集集合更新算法
• 5.5.3 方向信息辅助算法
• 5.5.4 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 5.7 本章参考文献
• 第六章 总结与展望
• 论文工作总结
• 进一步研究的方向
• 附录A: 利用KKT条件求解最优分配功率
• 符号说明
• 英文缩略语
• 致谢
• 博士期间论文发表和申请专利情况