OFDM協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)射頻資源優(yōu)化機(jī)制研究.pdf

1、正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）無(wú)線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)因其在提升網(wǎng)絡(luò)容量域、增強(qiáng)端到端鏈路傳輸可靠性、擴(kuò)大無(wú)線覆蓋范圍等方面的巨大優(yōu)勢(shì)以及在設(shè)計(jì)和部署上的靈活性，已受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。在這種網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)作策略和射頻資源分配是保證或提升其性能的兩大關(guān)鍵研究點(diǎn)。另一方面，隨著類型多樣的高速高帶寬新興無(wú)線應(yīng)用呈井噴式增長(zhǎng)，無(wú)線頻譜資源供給與用戶服務(wù)需求之間的矛盾愈發(fā)

2、加劇。再者，無(wú)線通信的能量消耗也逐漸變得不可忽略，構(gòu)建綠色網(wǎng)絡(luò)的需求也變得日益緊迫。因此，如何提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率、能量效率以及對(duì)各類應(yīng)用服務(wù)的良好支持能力，將成為增強(qiáng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)性能并緩解持續(xù)增長(zhǎng)的無(wú)線應(yīng)用需求壓力的關(guān)鍵問(wèn)題之一。鑒于此，本論文重點(diǎn)從頻譜效率、能量效率和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量增強(qiáng)三個(gè)角度對(duì)OFDM無(wú)線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)射頻資源優(yōu)化相關(guān)理論與關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，以期獲取高能譜效率和業(yè)務(wù)支持增強(qiáng)的射頻資源優(yōu)化分配方案，并為未來(lái)研究和部署以

3、資源優(yōu)化為核心的應(yīng)用系統(tǒng)提供前期理論參考，從而為解決以上關(guān)鍵問(wèn)題做出有益貢獻(xiàn)。本文開(kāi)展的主要研究工作如下：
　?。?）綜述分析并總結(jié)了無(wú)線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究工作。針對(duì)協(xié)作中繼策略和射頻資源優(yōu)化分配兩大關(guān)鍵研究點(diǎn)，以O(shè)FDM無(wú)線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)為重點(diǎn)，從協(xié)作策略、有專用中繼節(jié)點(diǎn)輔助的單向協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配、有專用中繼節(jié)點(diǎn)輔助的雙向協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配、基于用戶協(xié)作的中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)幾大方面，分類綜述分析了與無(wú)線協(xié)作中繼網(wǎng)

4、絡(luò)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究成果，并從網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景因素和總體設(shè)計(jì)因素角度，分別比較與分析了已有典型方案的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前研究所存在的問(wèn)題給出了幾點(diǎn)總結(jié)和建議，并指出了網(wǎng)絡(luò)編碼、非完美信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)在獲取實(shí)用化高能譜效率射頻資源優(yōu)化方案上的重要性。
　?。?）研究了單向多用戶多中繼OFDM網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)業(yè)務(wù)增強(qiáng)及頻譜效率優(yōu)化問(wèn)題。以單向多用戶多中繼OFDM系統(tǒng)為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)

5、對(duì)象，綜合考慮了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的最小速率需求、基于子載波配對(duì)的子載波分配、子載波級(jí)功率分配、子載波級(jí)中繼-用戶對(duì)選擇等因素，以最大化非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)總傳輸速率為優(yōu)化目標(biāo)，研究了融入子載波配對(duì)技術(shù)的自適應(yīng)射頻資源分配方案，以期增強(qiáng)異質(zhì)業(yè)務(wù)服務(wù)支持并優(yōu)化頻譜效率。針對(duì)總網(wǎng)絡(luò)功率約束和獨(dú)立節(jié)點(diǎn)功率約束兩種網(wǎng)絡(luò)配置場(chǎng)景，分別開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的漸近最優(yōu)資源分配算法，以期為不同的場(chǎng)景提供參考方案。仿真評(píng)估結(jié)果驗(yàn)證了所提算法在保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)速率需求和系統(tǒng)頻譜效率上的有

6、效性，以及在依據(jù)流量需求和信道狀態(tài)變化自適應(yīng)調(diào)整射頻資源分配方面的靈活性。
　?。?）研究了融合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向多中繼OFDM網(wǎng)絡(luò)頻譜效率優(yōu)化問(wèn)題。針對(duì)基本的雙向多中繼OFDM系統(tǒng)，分析了網(wǎng)絡(luò)編碼在提升頻譜效率和能量效
　　率方面的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)比分析了靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼與動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼的性能。以融合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向多中繼OFDM系統(tǒng)為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，考慮含有概率性估計(jì)差錯(cuò)項(xiàng)的非完美CSI，闡述了一個(gè)最壞情形優(yōu)化問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了一種具備對(duì)抗

7、非完美CSI的魯棒性射頻資源優(yōu)化策略。通過(guò)與擁有完美CSI假設(shè)的方案和運(yùn)用靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼的方案對(duì)比，仿真評(píng)估結(jié)果驗(yàn)證了所提算法在對(duì)抗非完美CSI方面的有效性，并揭示了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼在提升頻譜效率上的優(yōu)勢(shì)。
　　（4）研究了融合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向多中繼OFDM網(wǎng)絡(luò)能量效率和業(yè)務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量（Quality of Experience，QoE）折衷優(yōu)化。以融合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向多中繼OFDM系統(tǒng)為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，面向能量效率和用戶業(yè)務(wù)感知質(zhì)量的多目

8、標(biāo)優(yōu)化，研究了QoE與能量消耗的折衷優(yōu)化問(wèn)題。為獲取QoE與能量的最佳折衷，提出了新的判據(jù) QEE（QoE-Energy），表征單位能量所產(chǎn)生的總 QoE增益，并證明了QEE是QoE的準(zhǔn)凹函數(shù)。QEE的準(zhǔn)凹特性使得所闡述的以QEE為優(yōu)化目標(biāo)的射頻資源分配問(wèn)題成為準(zhǔn)凹優(yōu)化問(wèn)題，且存在全局唯一最優(yōu)化解。通過(guò)將所闡述的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列凸性可行性問(wèn)題，提出了一種高效的低復(fù)雜度優(yōu)化框架。在此優(yōu)化框架下，分別針對(duì)解碼-轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and

9、-Forward，DF）和計(jì)算-轉(zhuǎn)發(fā)（Compute-and-Forward，CPF）兩中繼策略，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的漸近最優(yōu)算法。仿真評(píng)估結(jié)果證實(shí)了所提算法在獲取最優(yōu)折衷點(diǎn)上的有效性。進(jìn)一步地，在此研究基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)QoE和能量項(xiàng)引入加權(quán)因子，設(shè)計(jì)了一種QoE與能量折衷可控的射頻資源優(yōu)化策略，可實(shí)現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)管理者可控可調(diào)的QoE-能量折衷。
　?。?）研究了OFDM無(wú)線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)射頻資源優(yōu)化系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案。基于GNU Radio/US

10、RP開(kāi)源認(rèn)知軟件無(wú)線電平臺(tái)，研究了融合網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化系統(tǒng)試驗(yàn)床的初步設(shè)計(jì)方案，以期為未來(lái)實(shí)施系統(tǒng)部署工作提供指導(dǎo)和參考。具體地，給出了試驗(yàn)床的具體功能需求、硬件配置參數(shù)，并提出了一種模塊化的節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)和節(jié)點(diǎn)間交互流程。對(duì)具備頻譜認(rèn)知功能的OFDM物理層主要功能進(jìn)了分析并提供了參考思路，包括：頻譜幀聽(tīng)、多帶濾波、單天線多包發(fā)送與多包接收和OFDM參數(shù)配置接口。提出了一種同步媒質(zhì)接入控制（Medium Access