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基于能效的物理层网络编码技术研究

周敏  
【摘要】:无线中继场景下的物理层网络编码技术(PNC),利用电磁波叠加特性,将多源电磁波在空中的自然叠加等效为物理层的网络编码过程,将干扰信号转换为有用的网络编码信号,在提高频谱效率的同时能够改善能效,而被认为是最有希望的未来移动通信关键技术之一。本文在保证服务质量(QoS)的条件下,以提高能量效率为目标,对物理层网络编码在双向多中继系统、多用户多播系统和OFDM/OFDMA系统中的传输技术展开研究。主要工作如下: 一、双向多中继场景物理层网络编码能效优先传输技术研究 基于部分信道信息(CSI)研究速率约束下的功率分配和中继选择问题。利用最优化理论推导出物理层网络编码放大转发(AF)、译码转发(DF)、压缩转发(CF)和去噪转发(DNF)协议下,保证传输速率的功率分配闭式解,同时提出了能效优先的联合中继选择和功率分配算法。分析表明DNF协议能效最优,其次是CF协议和AF协议。DF协议性能受系统速率需求影响较大,仅在低速率或者双向速率差较大时取得较好的性能。 基于完整CSI研究速率约束下的分布式波束赋形方案。推导出波束赋形加权矩阵相位信息的闭合表达式,并在此基础上提出低复杂度最大化接收信号能量(MRP)次优波束赋形算法。分析表明次优MRP算法与最优波束赋形方案相比能效损失较小,特别是在中继分布比较集中且接近用户中间位置时两者能效性能几乎一致。 二、多用户多播场景物理层网络编码能效优先传输技术研究 面向链路速率约束的能效优化模型,在多用户多播物理层网络编码DNF协议下,提出了多址接入阶段功率分配和第一次中继选择问题,以及广播阶段功率分配和第二次中继选择问题。随后理论证明广播阶段参与传输的中继节点数目不超过两个才能在链路速率约束下达到能耗下限,并且推导出功率分配的闭合表达式。为了进一步降低算法复杂度,提出了广播阶段次优单中继选择和功率分配算法。分析表明次优算法性能损失较小,且在链路速率差较大时所提次优算法近似于最优算法。 三、OFDM/OFDMA系统物理层网络能效优先编码传输技术研究 在单中继OFDM场景中,研究保证误码率和OFDM符号比特数双重条件的自适应比特和功率分配算法,提出次优贪婪分配算法。分析显示所提算法与穷尽搜索算法相比性能几乎一致,与平均比特分配算法相比,性能优势随OFDM符号比特数增加而提升。 在多中继OFDMA场景中,研究保证传输速率的能效优先联合功率分配、子载波分配和中继选择的资源分配问题。通过数学分析,问题分解为单个独立子载波上的优化问题,随后提出基于机会子载波分配的启发式能效优先资源分配算法,并证明每个子载波分别分配给唯一中继节点即可取得最优能效。分析表明所提方案利用物理层网络编码增益和分集增益可以取得较好的能效。 四、实际能效模型下的物理层网络编码部署研究 在考虑天线发送功率、放大器效率和射频无关功率的能效模型下,推导出双向通信时直接传输和中继传输模式下各协议的能效、系统速率和中继部署位置之间的关系式。通过分析,提出不同速率需求下各协议和中继位置的能效优先部署方案。分析表明物理层网络编码在双向速率需求大于一定门限值的情况下才能比其它模式取得更好的能效,且基站到用户速率大于用户到基站速率时,中继应该部署在更靠近用户的位置。


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