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无线网络编码的资源调度研究

张翔  
【摘要】:随着数据业务的迅速发展,要求蜂窝网络具有“高速率、广覆盖、低延时”的特点。国内外的学术界和产业界为此做了大量的研究,通过利用多输入多输出(MIMO, Multiple-Input Multiple-Output)、正交频分复用(OFDM, Othoganal Frequency Division Multiplexing)、干扰排列(IA, Interference Alignment)、无线中继等先进技术改善链路性能。而为了进一步提高系统频谱效率,考虑在不同场景下引入网络编码(NC, Network Coding)技术,充分利用无线传播的广播特性,减少信号传输流程。无线网络编码技术的研究已成为当前国内研究的热点领域之一,并且已经获得了广泛的认可,将可能成为下一代无线通信网络标准的重要内容。 本论文主要针对无线网络编码中的资源分配这个主题,对不同网络编码场景下的多用户调度与配对、中继位置选择和功率分配算法进行了全面而深入的研究。论文在广泛调研现研究成果的基础上,首先针对上行多址接入场景,提出一种新型的用户调度策略;然后针对蜂窝双向中继网络,提出多用户调度及配对算法;最后考虑简化的双向中继模型,分析了最优的中继位置选择和功率分配策略。论文的主要工作和创新点可以总结为: 1.上行网络编码场景中的调度技术研究 针对上行网络编码场景提出了一种多用户调度算法。该算法始终调用信道条件最好的用户传输,并且通过中继用户采用物理层网络编码转发未调度用户的信息。进一步考虑到中继用户信道条件对系统效率的影响,在原多用户调度算法基础上针对中继用户的选择进行了研究。论文首先理论推导了不同调度算法的吞吐量和用户时延性能,并通过数值仿真进行对比。为了进一步验证所提调度算法在蜂窝系统的有效性,搭建时分双工高速上行分组接入(TD-HSUPA, Time Division-High Speed Uplink Packet Access)系统级仿真平台,评估其在TD-HSUPA系统市区宏小区场景的性能。仿真结果表明,相比轮询(RR, Round Robin)调度和机会(PO, Pure Opportunistic)调度算法,所提网络编码调度算法能够在提升系统吞吐量的同时保证用户间的公平性,并且提供更好的小区边缘覆盖性能。 2.蜂窝双向中继网络编码场景中的多用户调度与配对研究 考虑了蜂窝双向中继网络,场景包含单个基站和单个中继,基站和中继均配置多根天线,以及大量的单天线用户。通过网络编码技术和基站与中继侧的预编码,上下行链路的多对信息交互可以在两个时隙内完成。提出了基于信道相关性的用户调度(CCUS, Channel-Correlation-Based Selection)算法,通过选择用户与中继之间的信道冲激响应,减小用户之间的多址接入干扰,并提高基站和中继的预编码增益。论文首先分析了下行链路的和速率和中断概率证明CCUS算法的优势,然后进一步讨论了CCUS算法的计算复杂度、信令开销和用户公平性,并与RR和PO算法进行了对比。从仿真结果可以看出,CCUS算法上下行链路的和速率和中断概率均明显优于对比算法,同时具有良好的用户公平性,即使小区中的用户负载很低时,CCUS算法仍然具有性能增益,随着小区中用户数目的增加,所提算法的增益更加明显。 3.双向中继网络编码场景中的功率分配和中继位置选择研究 考虑简化的双向中继场景,即两个源节点和一个中继节点,每个节点都配置单根天线。运用优化理论首先考虑对称中断概率要求的情况,研究了满足总功率受限条件下使得双向通信的中断概率最小化的功率分配问题,推导给出了最优功率分配的闭式解,指出对称场景下最优功率分配方案总是将一半的总功率分配给中继节点。然后研究了最佳中继节点位置选择问题,证明了最佳中继节点位置应位于两个用户之间连线的中点。结果表明,采用最优功率分配的双向中继传输相比于两个用户之间的直接传输而言,可以获得更低的中断概率。进一步将双向中继场景推广到非对称中断概率要求,研究了总发射功率最小时的功率分配和中继位置选择策略。定义了提出的功率分配双向中继传输方案优于传统两节点直接传输方案的中继工作区域。指出在非对称中断概率要求下,双向中继网络的最佳中继位置仍然为两个源节点连线的中点处。 以上研究成果,以学术论文的形式被电气电子工程学会(IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers)的期刊和会议以及国内期刊所录用。


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