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中继协作通信系统中功率分配及能量效率研究

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作者:
杨洁
导师:
曹雪虹
学科专业:
信号与信息处理 
文献出处:
南京邮电大学 2015年
关键词:
单向中继论文  双向中继论文  功率分配论文  中继选择论文  能量效率论文  中断概率论文  

摘要:中继协作通信技术能够有效地扩大无线网络覆盖面积、提升系统性能。在中继协作传输系统中,各节点的功率分配会影响链路性能从而引起系统整体性能的变化,采用不同的功率分配策略可以在保证性能的同时降低功率消耗,也可以在固定功率下提升系统性能。对于节点能量靠电池供给的网络,能量效率关系到整个网络的生命周期。为了针对不同应用场景制定合适的协作策略,必须对协作中继网络的能量效率进行分析和对比。基于上述考虑,本文深入研究了单、双向中继协作通信系统中的功率分配、中继选择以及能量效率问题。本文的主要工作与贡献如下:(1)研究了单向中继传输(OWRT)模式,综合常规多跳信道与多跳分集信道的优缺点,提出了一种基于解码转发协议的多跳中继传输系统,实现了上述两种信道在性能和复杂度上的折中,并推导了该系统的中断概率。针对该系统,在固定总功率和各节点功率上限的条件下,提出了一种最有效降低系统中断概率的功率分配方案。仿真表明:在相同的功率分配策略下,该系统的性能优于常规多跳系统;跳数越多,最优功率分配方案对系统中断性能的改善越显著。(2)研究了双向中继传输模式,针对AF协议与DF协议,分别推导了AF-TWRT与DF-TWRT系统的双向OP。以最小化双向平均OP为目标,以总功率为约束条件,求解了两跳AF-TWRT系统的OPA问题。仿真结果表明:当中继靠近一侧终端时,AF-TWRT的中断性能略逊于DF-TWRT的中断性能;在双向速率不对称的情况下,AF-TWRT系统的中断性能明显优于DF-TWRT系统;OPA策略可以有效提升系统的中断性能,特别是当两跳信道状态的差异较大时,OPA策略的优势更加明显。(3)研究了基于放大转发协议的双向多中继传输(AF-TWRT)模式,分析了AF-TWRT系统的功率分配及中继选择问题。以最小化总发射功率为目标,提出了一种基于瞬时信道状态信息的功率分配及中继选择优化策略,该中继选择策略可以在各中继分布式进行。理论推导了所提中继选择策略的分集复用性能。仿真结果表明,与现有的中继选择策略相比,提出的中继选择策略能够以更低的总功率而获得相同的服务质量,并且可以获得满分集。(4)研究了基于统计信道状态信息的AF-TWRT系统的功率分配及中继选择策略。推导了不对称速率情况下AF-TWRT系统的双向中断概率,以双向中断概率为约束条件,利用几何规划和凸优化方法推导了最低总发射功率,并提出了基于最低总功率的中继选择策略,给出了中继选择与功率分配联合优化的具体实施步骤。仿真结果表明:所提的中继选择算法能显著降低系统的总功率;在总功率固定时,所提的联合优化策略能有效降低系统中断概率。(5)研究了基于解码转发协议的OWRT与TWRT系统的能量效率,综合考虑节点的发射功率和电路功率,分析了在严格的传输时延约束下OWRT与TWRT系统的能量效率。通过对传输时间和发射功率的联合优化实现了能量效率的最大化。利用数值仿真对比了OWRT与TWRT的最佳能量效率,揭示了电路功率、数据帧的长度、时延约束以及中继位置对能量效率的影响。

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