多载波与合作通信系统中的资源优化分配研究

【摘要】：随着人们对无线通信的渴望和追求逐渐增强,有限的无线资源与多媒体业务不断提高的服务质量要求之间的矛盾日益尖锐。为了解决这个矛盾,必须从无线系统的各个层面入手。在物理层,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是一种非常适用于宽带无线系统的容量迫近技术,合作通信(Cooperative Communications)技术是近几年来发展起来的能够有效提高无线信道容量和可靠性的容量增强技术。在链路层,无线资源优化分配是解决这一矛盾的重要手段,它在多媒体业务与无线资源之间建立了一个稳固的桥梁,使得在时变的无线衰落信道中保证多媒体业务的服务质量变得切实可行。本文以基于OFDM技术的第四代移动通信系统以及合作通信系统为背景,在多用户信息论的指导下,研究这些系统中的资源优化分配问题。主要从以下几个方面展开了深入的研究,概括如下: 功率资源是无线系统中最为重要的资源之一,注水法则是平行信道功率优化分配的最优方法。本文首先研究无线系统中的注水法则,包括多载波信道的注水法则,时域注水法则,多用户系统中的注水法则。重点研究了在实际系统中整数比特约束下的注水法则,提出了一种改进的贪婪算法和一种对分比特分配算法。进一步地,利用该方法,提出了一种适用于平行多接入信道的多用户注水法则。 本文研究了OFDM蜂窝系统中的子载波、功率和比特分配问题。首先,根据子载波资源与功率资源之间的互换规律,提出子载波边际效用的的概念以及快速计算方法。基于子载波边际效用,提出了一种针对实时业务的资源优化分配算法,在满足其传输速率和误比特率的前提下,有效地降低了系统所需要的发射功率。并且提出了一种针对非实时业务的比例公平资源优化分配算法,在系统发射功率以及用户之间公平性的约束下,能够取得较好的系统吞吐量。在此基础上,进一步研究了具有混合业务系统的资源优化分配问题,提出一种最优的算法和一种低计算复杂度的次优算法来确定分配给实时业务和非实时业务的子载波和功率资源。针对具体的分块OFDM,提出了一种基于用户相对比特需求以及子信道相对利用度的快速子信道分配算法,并提出一种二进制指数粒度的分块OFDM系统以及该系统中的子信道分配方法。我们还将MIMO-OFDM系统中天线作为一种资源,提出了一种天线选择和子信道分配的联合优化算法。 本文研究了合作通信系统中的资源优化分配问题,提出了一种利用目的节点有限反馈的合作ARQ协议,推导了合作ARQ协议的链路层丢包率以及吞吐量性能。进一步地,将合作伙伴看作一种资源,利用二部图匹配方法提出了多用户网络中合作ARQ协