直放型中继网络的最优功率控制

摘要

中继协作通信是当前无线通信领域的研究热点之一。它为下一代无线网络在高速率、高可靠性和广覆盖方面的要求提供了技术支撑,同时又能克服传统无线网络伸缩性差7、鲁棒性低等缺点。本文针对两跳直放型中继网络进行功率优化,其中,中继采用并行或非并行传输模式。信道为频率平坦性衰落(FF)或频率选择性衰落(FS)。本文关于功率优化的主要贡献总结如下:
　　 1.对于非并行模式,本文给出了混合中继功率约束下能够最大化系统输出SNR的最估功率分配,其中的关键在于提出了一种区间分割算法,它能够将最优功率分配解空间的规模从指数量级降低至三次多项式量级。当中继仅有总功率约束或仅有独立功率约束时,所提出的最优结果可退化为Larsson[1]和Jing等[2]给出的解析结果。
　　 2.本文关于非并行模式的另一个贡献在于在FS信道衰落环境下,提出了够最大化系统可靠通信速率的最优中继功率分配,其中中继具有总功率约束。处理的关键在于首先将问题简化为OFDM了载波间的功率优化,接着,基于Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件提出了一种线性复杂度的算法,它能够将最优结果中不分配功率的子载波逐一剔除。
　　 3.对于并行模式,本文提出了一个双向注水算法。该算法在混合中继功率约束下能够最大化系统的瞬时输出SNR,且其最坏情形复杂度关于中继个数仅是平方量级。该算法被进一步推广到用于求解并行独立了信道在混合功率约不下的信道容量。
　　 4.本文关于并行模式的另一个贡献在于提出了FS信道衰落环境下的最优中继功率控制。具体来说,当仅有中继独立功率约束起作用时,本文提出了一种梯度搜索算法,目标函数的(上品性)保证了该算法一定能收敛到最优功率分配结果;当仅有中继总功率约束起作用时,本文首先给出了复杂度关于子载波个数呈指数量级的最优算法,接着提出了一种性能良好,且复杂度为线性的次优策略;当所有功率约束同时起作用时,本文提出了一种能够逐一剔除达到独立功率约束中继的次优算法。其复杂度关于中继个数呈线性量级,但其与使用穷举法所获得的最优结果间的性能差距却可忽略不计。
　　 5.木文的最后一个贡献在于将并行和非并行中继传输模式在系统速率方面的性能进行了公正的对比。基于单参数优化方法,本文首先提出了两种模式下最优的源与中继联合功率分配,接着,通过数值仿真确定了系统在每时隙上总功率约束的临界值,若给定约束高于该临界值,那么非并行模式占优,否则,并行模式占优,因此,本文所提供的最优联合功率分配为在两种模式间进行选择提供了依据。