基于OFDM的全双工中继网络资源优化分配研究

摘要

飞速增长的移动网络用户需求给现有的无线通信技术带来了巨大的挑战，未来的无线通信网络将会对系统容量、频谱效率提出更高的要求。传统半双工协作中继技术需要在相互正交的时域或频域信道进行信号收发，造成了网络资源的浪费。而全双工中继技术允许同时同频地进行信号的发送和接收，可以有效地提升系统的信道容量和频谱效率。但是全双工技术会引入额外的自干扰问题，导致中继网络中的资源分配问题变得更加复杂。基于上述背景，本文重点研究了在残留自干扰条件下基于OFDM的全双工中继网络资源优化分配问题，主要研究内容如下： （1）研究和分析了残留自干扰条件下全双工中继网络的性能表现。推导了译码转发（DF）协议下全双工中继网络的信道容量和中断概率闭式表达式。仿真对比了半双工和全双工中继系统的性能表现。结果表明，在低自干扰的情况下，全双工中继系统拥有更高的信道容量以及更低的中断概率。 （2）针对多用户OFDM单向全双工中继网络场景，将用户信息传输速率作为QoS约束条件，提出了一种基于QoS约束的资源优化分配策略（ Optimal resource allocation scheme based on QoS constraints, QCRA）。首先在等功率分配的前提下，提出了一种满足用户QoS约束的子载波分配算法；然后根据全双工DF协议的SINR平衡条件进行最优子载波功率分配。仿真结果表明，QCRA策略能够显著地提升系统总吞吐量。 （3）针对多用户OFDM双向全双工中继网络场景，研究了单独功率约束条件下的资源优化分配问题。首先提出了一种联合子载波和功率分配的最优化资源分配策略（Joint optimal subcarrier and power allocation scheme, JOSPA），以最大化系统总吞吐量，通过对偶分解和次梯度法得到了优化问题的最优解。随后，又提出了一种基于分层的次优化资源分配策略（ Layered sub-optimal resource allocation, LSRA），通过松弛子载波分配条件，将子载波和功率资源分为两层分别进行优化，以此来降低算法复杂度。仿真结果表明，在双向全双工中继网络中，JOSPA策略能够显著地提升系统总吞吐量。同时，LSRA策略在大幅减小算法复杂度的同时，达到了接近于JOSPA最优化策略的性能表现。

目录

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景及意义

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

1.5论文结构与安排

第2章 全双工中继相关理论及性能分析

2.1无线中继网络

2.2全双工中继网络

2.3全双工中继网络性能分析

2.4本章小结

第3章 基于QoS约束的多用户OFDM单向全双工中继资源优化分配

3.1系统模型

3.2优化问题求解

3.3仿真结果与分析

3.4本章小结

第4章 多用户OFDM双向全双工中继资源优化分配问题研究

4.1系统模型

4.2联合子载波和功率分配的最优化资源分配策略

4.3基于分层的次优化资源分配策略

4.4仿真结果与分析

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1论文工作总结

5.2下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录