中继协合与多小区协作的OFDMA系统中的无线资源管理问题研究

摘要

正交频分多址(OFDMA)以其较高的频谱利用率和抗频率选择性衰落特性成为新一代无线通信的关键技术，OFDMA系统中为了保证用户业务的服务质量，须采用有效的资源分配方案。此外，中继协作和多小区协作通信技术，有效地扩展小区覆盖和抑制小区间干扰，同时提高小区频谱效率与边缘用户的传输速率，可满足未来无线通信对系统容量和服务质量的越来越高的要求。本文研究了中继协作与多小区协作的OFDMA系统中的无线资源分配问题，针对不同的典型应用场景，设计相应的近似最优或次优的资源分配方案。论文的主要工作如下：
　　1.研究了OFDMA系统基于QoS保证和最大最小公平性准则下的动态资源分配问题，给出一种基于对偶求解的近似最优的优化算法。该资源分配问题采用的优化准则是既要保证QoS用户的最小速率要求，同时“尽力而为”用户之间必须满足“最小速率最大化公平性”(Max-minFairness)；可以表述为系统总功率约束下的子载波分配和功率控制的混合离散型优化模型。所提算法具有多项式时间复杂度，且与子载波数目呈线性增长关系。仿真结果表明，算法能近似最优地满足用户QoS及最大最小公平性要求。
　　2.针对中继协作OFDMA系统以及非中继OFDMA系统，研究了比例速率公平性约束下的无线资源分配问题，分别基于这两种系统在速率公平性约束下的等价优化模型，提出了复杂度较小的拉格朗日松弛的联合优化算法。算法的关键在于OFDMA系统的渐进强对偶性，这个性质使得可以设计出多项式时间复杂度的算法。所设计算法的复杂度与系统载波数目成线性关系；仿真结果表明，算法的性能极好地逼近最优分配方案性能。
　　3.研究了OFDMA中继通信系统在中继两跳之间不对称情形下的资源分配问题，并提出一种多项式时间复杂度的实时的优化算法。传统的OFDMA中继协作通信系统，中继站经过一一对应的子载波接收和发送信息，这一对称模式限制了系统吞吐量的提高。我们放宽约束，研究了非对称的资源分配问题，即：不限定两跳子载波之间的配对，前一跳接收的信息可以分散在第二跳的不同数目的子载波上传输。自由度的增加，增大了资源分配的复杂度，这是一个结合中继选择、子载波分配和功率控制等多维自由度的混合离散型优化问题。与对称模式相比，非对称资源分配进一步提升了系统的容量。
　　4.研究了多小区环境下OFDMA解码转发中继通信系统的资源分配问题，由于全局最优求解的复杂性，提出了一种分布式的次优的资源分配算法。算法分成两步：首先基于较低的信道反馈系统开销，分配子载波以满足用户的QoS要求；然后，将功率控制问题进一步简化并分解为多个凸优化的子问题，由椭球算法不断收敛的对偶变量，迭代调整各个子问题的最优求解。仿真结果表明，与参考算法相比，所提算法的系统容量和边缘用户的吞吐量性能都有很大的提升。
　　5.针对多小区OFDMA系统下行链路，研究了用户公平性约束下的资源分配问题，提出了一种多基站协调的迭代优化的分布式资源分配算法。每个小区根据小区间干扰和用户的公平性，迭代地进行子载波和功率的资源优化；而每次迭代中，根据用户公平性准则分配子载波，并将非凸的小区功率优化问题转化为其下界的凸问题，通过一个分布式算法来求解。通过仿真验证了算法的有效性：仿真结果表明，与传统网络的固定功率分配的情形相比，所提算法保证了用户之间的公平性并显著提高了系统吞吐量。