基于能效的解码转发中继OFDM链路自适应功率分配方案研究

在能效问题中,设备本身的电路功耗已成为不可忽略的一部分,故将中继引入无线网络之后势必会带来更严重的电路功耗。该文基于解码转发(DF)中继OFDM频率选择性链路,结合电路所耗功率,提出一种最优能效功率分配方法,求得DF中继链路能效上界,同时分析了速率和功率限制对能效的影响。仿真结果表明,该文所提基于能效的功率分配算法可求出最大化能效的最优功率解,并能在保证较高速率的同时获得最好的系统能效。

解码转发中继传输系统能量效率的分析与优化

针对延时约束下的解码转发单、双向中继系统,分析2种系统的能量效率,并将传输时间和发射功率联合优化,实现能量效率的最大化。通过信道容量及信噪比表达式将发射功率表示为传输时间的函数,将联合优化问题转化为2个决策变量的优化问题。根据多元函数极值理论和梯度下降算法寻找最佳传输时间最小化能量消耗,给出能量消耗最小化的算法。仿真结果表明,解码转发双向中继传输方式适合于上下行速率不对称的应用场合,而解码转发单向中继转发方式则适合于终端带有移动性的场合。

改进的解码转发多跳中继系统及最优功率分配

多跳信道的中断性能较差,且节点接收设备上的多跳分集信道较为复杂。为此,基于解码转发多跳信道和多跳分集信道,提出一种改进的解码转发多跳中继系统,解决上述2种信道性能和复杂度的矛盾。推导中断概率的计算公式,以最小化系统中断概率为目标,利用拉格朗日乘子优化各节点的功率分配。仿真结果表明,改进系统能获得比传统多跳中继系统更低的中断概率,最优功率分配方案下系统的中断性能优于均匀功率分配方案,并且性能优势随跳数增加更为明显。

多小区OFDMA解码转发中继通信系统的分布式资源分配算法

现有的多小区OFDMA中继通信系统资源分配的研究主要集中在单个小区的场景下,而不考虑由相邻小区引起的共信道干扰的影响。然而,实际系统中更高的频率复用因子和较小的小区半径,会导致严重的小区间干扰。该文考虑了多小区OFDMA解码转发中继通信系统的资源分配,它是一个混合离散型优化问题,即使在单小区场景下也是NP-hard难解的。由于全局最优求解的复杂性,该文提出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。

基于定向天线和机会中继的节点解码转发协作通信系统性能分析

定向天线(directional antenna,DA)的电磁波波束具有较小的成型角度,仅能覆盖某一方向上的通信节点,相比全向天线(omni-directional antenna,ODA),具有方向性好、功率增益大、传输距离远以及满足军事通信射频隐身等优点。协作通信技术通过节点间的相互辅助,对抗信道衰落,实现协作分集。为了实现有限节点间如车间、船间且需要采用定向天线的可靠通信,提出了将定向天线和采用解码转发型最佳中继选择的机会中继协作策略(opportunistic relaying,OR)相结合的解决方案,在此基础上推导出相应的通信系统中断概率理论公式,并对中断概率和信噪比、中继节点数、天线增益以及信道衰落系数之间的关系进行了数值仿真分析,以及和全向天线系统进行了比较分析。理论分析和仿真结果表明,在有限节点间定向通信中,采用定向天线的协作通信系统性能与各节点定向天线增益、信道质量和功率分配方式密切相关,适合在小信噪比及深衰落信道环境下采用。最后,进一步分析得出最优功率分配(optimal power allocation,OPA)比平均功率分配(average power allocation,APA)性能更优。

MIMO解码转发双向中继系统中的传输策略与中断概率分析

在多输入多输出(M IMO)解码转发(DF)双向中继系统中,分别设计了两种信道状态信息(CSI)情况下的系统传输策略,并推导了系统中断概率的闭合表达式。当已知完全CSI时,采用(最大比发送-最大比接收)MRT-MRC技术设计波束形成和合并向量;当未知完全CSI时,设计了基于有限反馈的传输策略,并采用随机向量量化和G rassm ann两种码本进行数值仿真验证。仿真结论显示,所设计的双向中继传输策略的中断概率性能明显优于其他策略,所推导的闭合表达式能准确地表征系统中断概率性能。

不均等双向解码转发机会中继通信性能分析

双向中继通信在保证传统单向协同通信空间分集收益的同时提高了频谱利用率。在双向不等速率要求场景下,针对结合解码转发网络编码的双向机会中继通信系统模型,给出了系统通信的近似中断概率闭式表达,并且提出了已知信道瞬时信息条件下的功率优化分配方法。仿真结果分析验证了解码转发双向机会中继通信的中断概率性能,表明在功率优化分配后和中等信噪比条件下,解码转发双向机会中继通信比模拟网络编码方式有2～3dB的收益。

能效最优的解码转发OFDM中继链路功率分配

针对解码转发OFDM(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)两跳中继链路,研究了以系统能效最优为目标的链路功率分配优化算法。首先考虑系统的电路功耗,将其建模为速率的线性增函数;然后在满足链路速率和误码率的限制条件下,建立了链路能效优化目标函数;最后,基于凸优化理论,求得使链路能效最优的调制方式和功率分配。仿真结果表明,所提功率分配算法,能够使解码转发OFDM两跳中继链路的能效达到最优。

Nakagami-m信道下全双工解码转发中继中断概率分析

研究存在残余自干扰(residual self-interference,RSI)条件下全双工解码转发中继的中断概率性能。在Nakagami-m信道下,推导了两跳解码转发(dual-hop decode-and-forward,DH-DF)策略和选择解码转发(selected decode-and-forward,SDF)策略的端到端中断概率确切表达式和渐近表达式,分析了两种策略的可达分集度。结果显示,DH-DF策略的可达分集度为0,SDF策略的可达分集度由信道成型因子和中继功率伸缩方案决定。相比于DH-DF策略,SDF策略具有更优的中断概率性能和抗自干扰能力。

OFDMA解码转发中继系统的最优资源分配

针对正交频分多址接入-解码转发(OFDMA-DF)中继系统,提出了以最大化系统加权和速率为目标的子载波分配、功率分配、传输方式选择和中继选择联合优化问题.基于凸优化理论,提出了一种最优资源分配算法,其复杂度仅与子载波数成线性关系.理论分析和仿真结果表明,结合用户权重的调整,该算法既可实现资源分配的公平性,又可有效利用中继节点的能力,提高系统容量.

解码转发中继通信中联合功率分配研究

解码转发中继协议是中继通信的一个基本协议。当中继和信源受联合功率约束时,基于柯西不等式,本文给出了功率分配的最优解。和已有证明方法相比,本文中的证明方法更加简洁。

解码转发单向多中继网络的能效与谱效权衡

为优化解码转发(DF)单向多中继网络的能量效率(EE)与频谱效率(SE),提出一种中继选择与功率分配联合优化方法。在DF单向多中继传输网络中,选择能够使EE最大的中继节点作为最佳中继并进行最优功率分配,给出最优功率分配下EE和SE的表达式,以提高SE为目标求出最优功率分配因子,将其代入EE的计算表达式后,将节点总功率作为优化变量以实现EE最大化,在此基础上,分析中继相对位置改变时EE和SE的变化趋势。仿真结果表明,相比随机中继等功率分配以及仅最优功率分配等方法,该方法具有更高的EE和SE。

解码转发中继网络频谱与能量效率的均衡方案

为减少网络资源消耗以保证绿色通信,提出一种解码转发(DF)双向中继传输(TWRT)和单向中继传输(OWRT)频谱效率和能量效率均衡方案。采用最优功率分配方法提高DF-TWRT和DF-OWRT的频谱效率,得到最优功率分配下TWRT系统和OWRT系统的频谱效率和能量效率表达式,并分析频谱效率和能量效率之间的关系,通过优化发射总功率实现两种系统的能量效率最大化。仿真结果表明,与等功率分配相比,该方案在相同数据传输速率下的频谱效率和能量效率更高。

解码转发双向无线携能全双工中继系统的能效研究

为了优化双向单中继全双工系统的能效,在中继节点引入无线携能技术,提出了一个双向无线携能全双工中继系统。该系统中继节点以功率分割方式进行能量收集,将收集的能量用于解码转发,在保证用户的服务质量需求下,将能效优化问题转化为能量消耗最小的优化问题,依据传输时隙以及各时隙信道容量需求进一步划分为两个子优化问题;然后,以能效最大化为目标,根据各时隙的信道容量求出传输功率,利用解码转发特性求出传输时间和功率分割因子,得出能效最优解。仿真表明,所提出的双向无线携能全双工中继系统的能效是单向无线携能全双工系统的1.3倍、双向全双工放大转发中继系统的2倍和双向全双工解码转发中继系统的2.6倍。

解码转发中继系统能效性能研究

针对采用MQAM调制的半双工解码转发两跳中继通信链路,研究了在给定BER条件下,真实调制速率对系统能效性能的影响。首先从系统传输功耗出发,建立了传输信号所需发射功率的优化模型,据此推导出在给定BER约束下的最小发射功率。在能效问题中,设备本身的电路功耗已成为不可忽略的一部分,因此结合电路功耗给出系统能效表达式。基于凸优化理论,证明了能效性能是调制速率的拟凹函数,并分析了调制速率对能效性能的影响。理论分析和仿真结果表明:当调制速率增加时,系统能效先随之增加后又随之降低。另外,中继节点的位置也会对系统能效性能产生影响。

解码转发双向中继系统的ARQ协议研究

研究了结合自动请求重传的解码转发双向中继系统在瑞利衰落信道中的端到端误报率以及频谱效率等性能。双向中继系统的两个源节点及中继节点都有缓冲存储器用来存储重传时不同时隙的接收信号。根据错误发生的节点以及重传情况的不同,为了充分利用不同时隙的接收信号,分别结合使用了最小均方误差信号检测或者最大似然比合并算法。仿真结果表明,在解码转发双向中继系统中,相对于传统自动请求重传协议,采用增强ARQ协议能显著降低解码转发双向中继系统的误包率,从而提升系统的频谱效率。

基于解码转发协议含窃听者的多天线中继网络安全性能分析

通信系统中的中继传输具有覆盖范围广、克服信道障碍的特点。本文对基于解码转发协议含窃听者的多天线中继网络的安全性能进行了分析。在系统模型中,多天线中继使用解码转发(DF)传输方案,天线采用选择合并/发射天线选择(SC/TAS)的方式接收和发送信息,并且此时窃听者受到干扰源的限制。分别推导了安全中断概率的闭合表达式、高信噪比(SNR)下的渐近表达式和非0安全中断概率的闭合表达式。理论分析和仿真结果均表明,随着中继的天线数目L和窃听端受到的干扰源数目M的增多,系统的安全性能得到了明显提高,所分析的结果与蒙特卡罗仿真结果相匹配。

低信噪比下增强型解码转发协作的性能分析

研究了接收节点将其译码状态反馈给其他节点这一增强性手段对解码转发协作的性能改善情况。推导了低信噪比条件下,增量中继、选择中继的中断概率和吞吐量表达式,给出了中断概率的三阶近似式。结合增量中继、选择中继的各自优点,提出了一种联合中继模式。理论分析和数值仿真表明,提出的联合中继模式在中断概率和吞吐量2个方面性能优越。

基于OFDM的DF中继链路能效最优资源分配策略

针对DF模式的OFDM中继链路,将能效最大化资源分配问题转化为在用户最小速率需求和系统总发射功率受约束条的件下,子载波配对和功率分配的联合优化问题,提出一种低复杂度联合最优资源分配策略,并证明速率和功率约束条件下中继链路全局能效最优解的唯一性.仿真结果表明,与固定子载波配对策略相比,当中继节点位于源和目的节点连线中点位置,Rmin=1.5 Mbit/s时,排序子载波配对策略的链路可达速率和系统能效分别提高了2.3%和3.1%;与传统的等功率分配、速率最大化和功率最小化注水算法相比,本文方案能够在保证用户最小速率需求和系统功率约束的同时,自适应分配资源以实现系统能效最优.

DF协作中继网络基于买者/卖者博弈的中继选择和功率分配策略

该文针对采用解码-转发(DF)协议的协作中继网络,提出了一种基于买者-卖者博弈的中继选择和功率分配策略,通过将用户建模为买者,可以以最大效用为标准选择最优中继和确定最佳的购买功率;将中继建模为卖者,可通过先市场后利润的功率价格调整策略获得最大的利润。分析了两者博弈达到平衡的条件并进行了仿真,结果验证了纳什均衡点的存在并表明,该策略计算量少,收敛速度快,实用性强,在兼顾用户和中继节点的利益的同时可以有效提高用户的传输速率,扩大基站的覆盖范围,提高功率利用效率。