无线中继网络资源分配研究

【摘要】随着人们对随时随地自由通信需求的不断增长,各种新兴通信技术相继出现。无线中继网络作为一种新兴网络架构,能够以较小代价有效地扩大覆盖范围、提高链路质量、节省发射功率、减小干扰等,从而受到学术界与工业界越来越多关注。在传统单跳无线网络中,无线资源分配能在有限无线资源条件下进一步提高传输速率等系统性能,具有重要的现实意义。然而,中继的引入在改善系统性能的同时也使无线资源分配更加复杂。因此需要结合中继的两跳特性,重新考虑无线资源分配问题。由于这方面的研究并不完善,本文将中继网络无线资源分配作为研究方向。首先,现有的单小区无线中继资源分配方法在设计上常基于以下理想假设：信源和中继的传输时间长度相同；中继均为随时可用的辅助节点。这虽然简化了设计与分析,但也使得现有中继资源分配方法的效果受到一定的限制。其次,全局频率复用因子导致的小区间干扰问题越来越重要,存在小区间干扰的中继资源分配策略也是亟待解决的问题。例如：多小区干扰对传输模式、路径选择以及功率分配的影响。第三,现有研究工作关于用户移动对无线资源分配的影响还缺乏研究。例如：如何减小移动速度对中继切换的影响；如何开发用户移动性以提高系统性能。本文首先通过将非对称时隙传输路径选择问题建模为凸优化问题,从理论上分析非对称时隙分配的性能增益。提出了联合时隙分配以及传输路径选择方法。仿真表明该方法可以很好地改善系统传输速率。然后,本文将基于中继可信度的传输路径选择问题建模为restlessbandit问题,利用对偶分解求得最优解,并通过优先级索引得到便于实现的分布式算法。仿真结果表明该算法可大大改善传输性能。其次,本文研究存在小区间干扰的中继资源分配算法。为便于分析,本文首先定义传输范围和干扰范围,并提出了多小区传输路径选择和功率分配方法。每小区信源节点首先选择小区内具有最大传输速率的传输路径,并以此建立干扰表,然后根据此表,设计最小功率分配或自适应功率分配方法调节发射功率以减小小区间干扰。针对实际场景多小区干扰累积的性质,本文接着提出了两步骤传输模式、路径选择和功率分配方法,根据信道状态和小区间干扰确定传输模式及路径,然后利用几何规划建模并求解功率分配问题。为了进一步减小小区间的信令交互开销,对系统平均传输速率进行渐进分析,提出了一种启发分布式资源分配算法便于实现。仿真结果表明,提出的算法可有效改善系统性能。最后,用户移动对中继网络无线资源管理有较大影响。本文首先利用半马尔科夫决策过程建模用户移动导致的中继间切换过程,研究以较小的切换开销实现传输速率最大化。通过推导信噪比与用户移动速率的关系,在状态转移矩阵中考虑用户移动性因素。在马尔科夫决策模型的报酬函数中引入了小区内中继切换以及小区间中继切换开销的影响,利用值迭代算法得到最优切换决策,并讨论了该算法在实际系统中的实施问题。仿真结果说明提出的切换策略能以较小切换开销取得较大的传输速率。本文最后提出一种自适应携带存储转发机制,选择空闲移动用户作为中继节点,减小通信中断时间。为了使目标移动节点在无通信覆盖区域通过中继节点尽可能保持通信,被选中继节点提前存储目标节点所需数据,目标节点可以根据中继节点自适应地改变移动速率。本文将目标节点改变移动速率的过程建模为凸优化问题。当存在多个候选空闲移动用户时,选择带来最小通信中断时间的空闲移动用户作为中继节点。仿真结果说明该机制能很好地减小目标节点的通信中断时间。
【作者】吴荻；
【导师】朱刚；
【作者基本信息】北京交通大学，通信与信息系统，2014，博士
【关键词】中继；传输速率；小区间干扰；移动；可信度；

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