協(xié)同中繼選擇與傳輸策略設計.pdf

1、“協(xié)同”的基本屬性是參與協(xié)作的相關實體通過貢獻、共享資源以實現(xiàn)某個共同目標，并獲取額外收益。協(xié)同通信通過網(wǎng)元之間彼此共享信道資源構成虛擬MIMO（virtual multi-input multi-output）獲得離散網(wǎng)元提供的空間分集增益或通過中繼接力傳輸擴展覆蓋范圍、提高通信可靠性。協(xié)同通信的理論依據(jù)源于中繼信道容量能提供比直傳方式更高的信道容量這一重要結論，隨后，協(xié)同通信的研究和應用范疇不斷擴展，如在同構無線通信網(wǎng)絡內(nèi)部不同終端

2、或不同技術協(xié)同，以提高系統(tǒng)性能；在異構無線通信網(wǎng)絡之間相互協(xié)同，以獲得“涌現(xiàn)”增益。
　　雖然協(xié)同的思想為無線通信的發(fā)展和應用提供了一種新的實現(xiàn)途徑，但協(xié)同通信策略對系統(tǒng)性能也會產(chǎn)生影響，如選擇位于不同位置的網(wǎng)元參與協(xié)同，由于信道條件不同，協(xié)同能獲得的性能增益也不同；在無線通信網(wǎng)絡中，由于存在多個潛在的協(xié)同網(wǎng)元，如何從這些候選網(wǎng)元集合中快捷而有效的選取協(xié)同網(wǎng)元，是協(xié)同中繼選擇關注的重要內(nèi)容。特別地，當多個用戶并發(fā)通信時，如何選擇協(xié)

3、同網(wǎng)元對系統(tǒng)性能的提升最大，并考慮業(yè)務QoS（quality of service）需求、傳輸時延、性能增益以及公平性等將使問題更加復雜。此外，基于中繼選擇的協(xié)同資源分配能進一步優(yōu)化網(wǎng)絡性能，將中繼選擇與資源分配融合是協(xié)同策略研究的另一個重要內(nèi)容。
　　已有的協(xié)同中繼選擇和傳輸策略設計研究成果大多是針對單源協(xié)作應用場景下的系統(tǒng)性能和分集性能分析，而針對多源多中繼、融合OFDM技術的中繼選擇以及雙向中繼傳輸?shù)确矫娴闹欣^策略和資源分配

4、仍存在大量關鍵技術亟待深入分析研究。本文圍繞協(xié)同通信中繼選擇和傳輸策略設計展開研究，重點探索 OFDM下的中繼策略、高密度網(wǎng)絡的多用戶中繼策略、基于地理位置的中繼策略以及不對稱雙向中繼傳輸策略，主要內(nèi)容和成果包括：
　　1）針對單源多中繼單目標協(xié)同通信應用場景，研究協(xié)同傳輸與OFDM技術結合的協(xié)同中繼選擇與資源分配問題。為消除選擇性OFDM中繼傳輸中協(xié)同分集的實現(xiàn)受制于最差配對子載波信道質(zhì)量的瓶頸，提出一種比特重加載的選擇性OFD

5、M協(xié)同中繼方案。該方案僅選擇單中繼節(jié)點重傳整個OFDM符號，通過在每跳執(zhí)行自適應比特加載并采用最小最大法選擇最佳中繼節(jié)點，能獲得選擇協(xié)同的中斷概率性能下界。理論分析了該中繼方案的中斷性能，并在固定傳輸速率和固定發(fā)送功率兩種情形下給出了詳細的中繼選擇和功率分配策略，通過仿真驗證了所提方案的中斷性能和端到端可達速率。
　　2）針對多用戶協(xié)同MANET網(wǎng)絡，依據(jù)隨機方式或基于接收信噪比最大準則選擇協(xié)作節(jié)點均不能通過用戶間協(xié)作獲得滿分集，

6、而采用固定順序協(xié)作又忽略了信道狀態(tài)因素，會降低協(xié)同增益。為了獲得滿分集，提出一種基于用戶域協(xié)同和中繼域協(xié)同的兩階段自治式協(xié)同中繼選擇算法，即將協(xié)同中繼選擇過程劃分為源節(jié)點組中繼選擇階段和空閑節(jié)點組中繼選擇階段。在中繼選擇過程中，各節(jié)點獨立決策是否中繼和為誰中繼，由于源節(jié)點組中繼選擇不能保證每個源節(jié)點都能找到中繼，再利用空閑節(jié)點組中繼選擇為未找到中繼的源節(jié)點選擇中繼。為了避免多個源節(jié)點選擇同一中繼節(jié)點，引入中繼域的概念，空閑節(jié)點集合自主形

7、成中繼域，每個源節(jié)點在各自中繼域內(nèi)選取中繼。通過與固定優(yōu)先級傳輸機制，就包傳輸率和誤符號率等性能指標進行的對比仿真測試，驗證了算法的有效性。
　　3）針對多跳移動ad hoc網(wǎng)絡，在已知節(jié)點位置信息的前提下，研究基于位置信息的能效最優(yōu)中繼選擇策略。將協(xié)同通信技術引入移動ad hoc網(wǎng)絡，根據(jù)節(jié)點位置信息進行下一跳節(jié)點選取和相應的中繼選擇。針對單用戶多跳場景，設計了一種根據(jù)位置信息判斷下一跳節(jié)點以及相應的中繼節(jié)點選擇方案。為了提高頻

8、譜效率，針對處于不同方位的兩用戶多跳場景，設計了一種能耗最小的中繼選擇方案。在下一跳節(jié)點選取中，利用無信標貪婪前傳和無信標恢復前傳分別在前向步進區(qū)域和后向步進區(qū)域進行下一跳節(jié)點選??；在中繼選擇中，根據(jù)節(jié)點位置信息，以系統(tǒng)能耗為優(yōu)化目標，設計了一種基于位置的優(yōu)先級判定和中繼選取策略。
　　4）針對AF-OFDM雙向中繼系統(tǒng)，研究不對稱通信需求約束下系統(tǒng)總能效優(yōu)化策略。由于兩個用戶具有不同的通信速率要求，為速率要求高者分配更多的子載波

9、；由于兩個用戶分配的子載波數(shù)不同，一部分子載波將工作在雙向傳輸模式，而另一部分子載波將工作在單向傳輸模式。以系統(tǒng)能效為優(yōu)化目標，構建聯(lián)合中繼傳輸模式選擇、功率分配和比特加載的組合優(yōu)化模型。針對該混合整數(shù)規(guī)劃問題，提出一種結構近似優(yōu)化算法。算法運行分為兩階段：第一階段，固定子載波分配集合，優(yōu)化單向中繼傳輸和雙向中繼傳輸?shù)墓β史峙洌瑢⒃瓋?yōu)化問題分解為兩個子優(yōu)化問題求解；第二階段，利用子載波配對形成的線性結構搜索雙向中繼傳輸?shù)淖罴炎虞d波數(shù)，避