协作系统中联合功率分配和自适应多电平正交幅度调制算法

基于瑞利衰落的单源单宿多中继译码转发（Decode-and-Forward, DF）协作系统,提出了一种联合功率分配和自适应多电平正交幅度调制（M Quadrature Amplitude Modulation, M-QAM）算法.推导出了在高信噪比下系统误符号率（Symbol error ratio, SER）的紧密上界闭式表达式,并在给定系统SER的条件下,得到最小化SER的功率次优分配和实现M QAM自适应速率控制的联合算法.该联合算法仅需要在发送端获得信道统计状态信息（Channel Statistic State Information,CSSI）,从而避免了系统信道瞬时状态信息交互的开销.实验仿真表明,在高信噪比下,推导的闭式表达式逼近蒙特卡罗实验结果,提出的联合算法带来了性能增益.     

基于信道特性的中继选择协作通信方法研究

根据信道统计特性,研究了放大转发(amplify-and-forward,AF)协作中继网络中的中继选择协作通信方法.首先分析指出在等功率条件下,当信噪比小于某个门限时,选择单个中继节点进行转发(pre-select single relay AF,SAF)比所有节点都转发(all relays AF,AAF)的中断概率小.基于此信噪比门限提出一种中继选择协作通信方法,并且指出这种选择方法使得SAF的中断概率最小;然后结合功率分配提出了一种使中断概率最小化的最优中继选择协作通信方法;最后为了降低复杂度,提出了一种次优中继选择协作通信方法.仿真结果表明,这种次优方法和最优中继选择协作通信方法相比,性能相近.     

基于中继选择的协作频谱感知算法

针对最佳中继选择协作频谱感知方案检测概率低、而所有中继节点均参与协作频谱感知复杂度高的问题,提出一种中继选择协作感知算法.该算法根据N条中继链路等效信噪比的大小,从中选择出L个信噪比大的优质中继用户转发主用户信息.导出了该算法在瑞利平坦衰落下的频谱检测概率上限闭合表达式,为频谱检测性能分析提供了理论依据.数值分析结果表明：只需60%左右的优质链路参加中继就可以达到理想的性能,大大降低了系统实现的复杂性.     

基于定向天线和最佳中继选择AF策略的协作通信系统

提出了采用定向天线和最佳中继选择AF协作策略的多中继协作通信系统,从理论上推导出相应的系统中断概率公式.结合理论分析结果对中断概率和信噪比、信道衰落系数、天线功率增益、中继节点数以及节点功率分配系数之间的关系进行了仿真分析.结果表明:采用定向天线和最佳中继选择AF协作策略的通信系统,不但满足军事通信的射频隐身特性要求,而且在小信噪比、深衰落信道及参与协作中继节点有限的条件下,比采用相同策略的全向天线协作通信系统具有更小的中断概率,提高了通信可靠性.     

单窃听双跳协作网络的中继选择方案及其性能分析

研究了安全通信意义下,单向译码转发（decode-and-forward,DF）协作无线网络的中继选择问题。针对窃听者既能获得信源发出的信号,又能窃取中继节点转发数据的通信系统,提出了3种中继选择方案来对抗窃听者,增强系统物理层安全性。其中,方案一选择到窃听者信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）最小的中继节点;方案二为最大最小（max-min）选择方案,即选择信源到中继节点和中继节点到信宿的较差信噪比中最大值所对应的中继节点;方案三根据窃听信道和主信道的瞬时信道状态信息（channel state information,CSI）选择使得窃听网络有最大保密容量的中继节点。在对各方案的性能分析过程中,得到了各中继选择方案拦截概率的闭式表示,进一步对拦截概率作渐近分析,获得了各中继选择方案的分集阶数。具体地,方案一的分集阶数为1,另外2个中继选择方案的分集阶数均为中继节点个数M。数值结果验证了理论分析得到的结论。     

直达链路下的多用户分集与全双工中继系统

针对多目的地传输网络,研究基于时间切换协议的全双工协作中继方案.考虑源和每个目的地之间存在直达链路,中继采用天线选择技术以实现最小化自干扰,目的地采用最大比合并技术以实现最大化接收信噪比.运用高斯-切比雪夫积分和次序统计量,推导出4种目的地选择策略下的延迟受限吞吐量近似闭合表达式.数值分析和蒙特-卡洛仿真结果表明:最佳吞吐量取决于协议的时间切换比和源功率分配比;与其他3种策略相比,最佳目的地选择策略更适用于分布式多用户选择网络;提高源发送功率或增加目的地个数均能显著提升系统吞吐量性能.     

OFDM协作通信中的机会中继和功率分配算法

研究了功率受限情况下多中继系统OFDM协作通信网络的上行链路容量最优化问题.利用混合二进制整数规划问题的优化分解方法,提出一种低复杂度的机会中继和功率分配的联合优化算法.首先针对每个中继子载波,提出了一种基于解码转发模式下的等效信道增益的机会中继选择策略;然后在此基础上通过凸优化算法,给出了源节点和多个中继节点之间的最优功率分配算法.仿真结果表明,相对于随机中继子载波选择以及平均功率分配,该算法具有较低复杂度的同时,能够显著提高系统性能和功率效率.     

利用地理位置的中继选择及功率分配

在协作多中继蜂窝系统下行链路中,提出根据中继节点地理位置和吞吐量增益联合选取中继节点参与移动用户和基站间的协作通信方案,并运用凸优化算法分配各节点功率.仿真结果表明:该方案不仅改善了用户的误码率,并且提高了系统吞吐量.     

协作通信系统中的一种高效分集传输技术

研究协作通信系统中结合空时分组码与频域均衡的传输方案,采用判决反馈与干扰抵消等算法对该方案进行优化. 中继节点对发射信号进行空时分组编码后发送,接收机将收到的信号做快速傅里叶变换处理,再进行空间-频域的联合均衡,最后变换回时域判决,即可得到发送信息的估计结果. 该方案可获取中继提供的协作分集增益,且频域处理复杂度很低. 本文通过判决反馈和干扰抵消等信号处理手段降低均衡过程带来的信噪比损失,提高了该算法在协作通信信道下的传输性能,计算机仿真结果表明,当信噪比为12 dB时,新算法可将原算法的误码率从10-2以上降低到10-3以下.      

一种基于能效的中继选择和功率分配方案

为了进一步减少放大转发(Amplify and Forward,AF)策略下的单源中继协作通信系统的能量消耗,提出一种在近似高信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)条件下的基于能效的中继选择和功率分配方案。该方案中的能量消耗不仅包括了传输功率,还包括了信号处理所消耗的功率。区别于当前大多采用精确SNR公式进行中继选择研究的情况,该方案在满足所需数据传输速率以及传输功率受限的前提下,采用简单的近似高SNR公式,以能效最大化为准则推导出中继选择和功率分配的表达式,同时还重新设计了两跳中继系统中能量效率和频谱效率间的折中方法。仿真结果表明,所提出的中继选择方案相比其他方案能更有效地提高系统的能量效率,并且能达到能量效率与频谱效率间不错的折中效果。     

能量均衡的协作中继选择算法

为了最大化协作多中继通信系统的网络寿命,研究了在放大-转发(amplification-forward, AF)中继协作方式下网络寿命的折中优化问题,提出了一种最优能量均衡(optimal energy equilibrium, OEE)的中继协作节点选择方案。通过对AF中继每一跳接收端信噪比(signal noise rate, SNR)的计算,推导了AF两跳中继目的终端的误码率表达式,同时联合节点的剩余能量信息和信道状态信息(channel state information, CSI),利用能量均衡的思想,合理引入和设置优化因子来有效选择转发中继,延长网络寿命。理论分析和仿真结果表明,相比CSI中继选择和模糊综合评价(fuzzy comprehensive evaluation, FCE)中继选择方案,提出的中继选择方案不仅有效地提高了系统的网络寿命,而且在相同信噪比的情况下误码率性能有明显的改善。     

重叠Nakagami-m信道协作通信最优功率分配方案

为了解决重叠Nakagami-m信道衰落模型下中继译码转发协作通信系统中源与中继间由于等功率分配(EPA)造成的功率资源浪费问题,提出了一种基于渐近误符号率(SER)最小准则的最优功率分配方案(OPA).首先分析系统渐进SER解析式,在典型应用场景下对其进行进一步简化,然后将简化的系统SER作为目标函数,总功率受限作为约束条件,将功率资源分配抽象为典型的条件受限凸优化求解问题,最后利用拉格朗日乘数法对此凸优化问题进行求解,从而得出在总功率资源受限时典型场景下重叠Nakagami-m信道协作通信系统的最优功率分配方案.仿真结果表明:相较EPA方案,在较大的信噪比区间内及相同的信道条件下,OPA分配方案均能获得约1 dB的信噪比增益,且获得的实际信噪比增益与理论推导值一致.     

D2D通信系统中的最优中继选择及功率分配策略研究

在D2D(device-to-device)通信系统与蜂窝网络共存的场景下,引入中继节点可以有效提高D2D链路的吞吐量同时减小D2D链路对蜂窝网络的干扰?阐述了一种新颖的半双工放大转发双向中继协助D2D通信方案,提出了对应的最优中继选择及功率分配算法?该算法能够在满足蜂窝系统所受干扰小于一定门限值的约束下最大化D2D链路的吞吐量?该算法优化了D2D链路上各发送节点的发送功率;选出了可以使D2D链路吞吐量最大化的中继节点作为最优中继节点?其中,在计算最优功率分配的时候,利用拉格朗日对偶理论以及最速下降法对原功率分配优化问题的对偶问题进行了分层迭代求解?仿真结果表明,提出的策略与已有的方案相比可以显著提高D2D链路的吞吐量?     

基于解码转发的认知无线电机会功率控制算法

频谱感知是认知无线电网络正常工作的基础,而功率控制问题的解决是认知网络和主用户网络正常运行的保证。文中研究协作认知无线电通信,在保证授权用户服务质量和认知用户最大功率受限条件下,将高信噪比时的解码转发(decode-and-forward,DF)和基于频谱感知结果的机会功率控制算法结合,提出新的机会DF功率算法。通过基于对主用户感知结果的最优中继选择策略,在保证主用户正常通信不受影响的前提下,最大程度提高次用户信道信噪比,提高认知网络容量,并且认知系统能够获得空间满分集度。理论和仿真结果同时表明,基于主用户出现概率的最优中继选择最大程度的消除了次用户对主用户的干扰,提高了认知系统容量。     

非对称双向D2D通信系统的中继选择优化算法

提出了一种面向D2D通信系统中非对称双向中继信道的中继选择优化算法;该算法依据定义的非对称性双向D2D链路信道总容量最大化为优化目标,推导了新的目标函数以及确定最优功率分配,并在此基础上通过非线性优化选出最佳中继。仿真结果表明,非对称双向中继通信系统的最优功率分配结果与理想对称双向中继系统的结果一致,而提出的中继选择方案比按理想对称双向中继优化方案得到的链路信道总容量更大,但是相应的计算复杂度会更高。     

功率分裂的无线信息与能量同传中继方案的优化

研究了无线信息与能量同时传输两跳协作中继系统中的传输方案优化问题.方案中,第1跳中继节点对接收到的源节点发送的信号进行功率分裂,一部分信号用于信息的译码;另一部分转换成能量用于第2跳的信息转发.中继采用译码转发协议,与常规方案不同,所提方案两跳采用不等时长方式,在传输总信息量一定的情况下,以两跳总传输时间最小化为目标,对功率分裂因子进行优化求解.由于无法直接完全通过解析求解获得优化结果,故采用部分解析求解和遍历搜索求解相结合的方法求解优化问题.仿真结果表明,在无线信息与能量同时传输中继模型下,所提方案的传输速率和系统吞吐量明显优于传统的两跳等时长的译码转发和放大转发方案.     

MIMO-OFDM双向多中继选择的网络资源优化

为加强多输入多输出-正交频分复用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)双向中继系统的频域和空间复用增益,研究放大转发(amplify-forward,AF)协议下的中继系统模式,提出一种双向信道的预编码矩阵,能够将复杂的双向MIMO-OFDM信道划分为多个独立的物理层网络编码(physical network coding,PNC)子信道.在此基础上,将系统扩展至多中继,并提出在已有的频域子载波和空间子信道的最佳配对方案下,以最大化用户接收信号信噪比为准则,为每组配对方案分配合适的中继来改善中继网络的性能.通过联合优化的中继选择策略,单节点功率约束条件以及拉格朗日对偶方法,获取优化的系统资源分配方案.仿真结果证明,所提算法较一般功率分配方法带来的性能增益随着中继的增加,增益幅度随之增加.     

Optimal joint relay selection and resource allocation with QoS constraints in multiuser OFDM-based cellular networks

This paper investigates the relay selection and resource allocation problem in muhiuser orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based cooperative cellular networks,in which user nodes could relay information for each other using the decode-and-forward (DF) protocol to achieve spatial diversity gain.Specifically,the paper proposes an optimal joint relay selection and resource allocation (ORSRA) algorithm whose objective is to maximize system total achievable data rate with the constraints of each user' s individual quality of service (QoS) requirement and transmission power.Due to being a mixed binary integer programming (MBIP) problem,a novel two-level Lagrangian dual-primal decomposition and subgradient projection approach is proposed to not only select the appropriate cooperative relay nodes,but also allocate subcarries and power optimally.Simulation results demonstrate that our proposed scheme can efficiently enhance overall system data rate and guarantee each user's QoS requirement.Meanwhile,the fairness among users can be improved dramatically.