中继OFDM系统的功率分配算法研究

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为了解决距离或者障碍物对通信质量的影响,无线中继技术越来越被人们重视并被广泛的研究;为了获得更高的频谱效率,OFDM技术也被广泛应用在各种通信场景中。将中继技术与OFDM技术相结合,可以更加充分的发挥两者的优势,改善通信质量,提高频谱利用率,为人们提供满意的服务。无线资源分配是中继OFDM系统的关键技术之一,对功率和子载波进行合理地分配能够提高系统性能。本文对无线中继OFDM系统的资源分配算法进行了研究,分别从中继转发方式、功率分配与子载波配对等方面提出了资源分配的优化算法,主要内容如下:(1)以最大化系统容量为目标,在系统总发射功率受限的情况下,应用改进型的中继方式,研究了一种包含功率分配、子载波配对和中继选择的资源分配算法,该算法首先使源节点在第二时隙通过与相应中继节点相同的子载波再次发送直传信号给目的节点,为系统提供额外的分集增益,再应用最优化方法计算各个节点在不同子载波对上的功率,最后应用匈牙利算法进行子载波配对。设计了算法的详细步骤并实现了仿真,分析了功率、子载波对个数和中继个数对系统性能的影响。(2)在双向多中继OFDM网络中,提出了一种功率分配与子载波配对的联合算法。与基于中继选择的算法不同,本文允许所有中继转发同一子载波对,以提高系统的分集增益。该算法在系统总功率受限的条件下,首先应用柯西不等式优化分配了各个中继的最优功率,简化原有的最优系统模型;再应用二分法,通过最大化子载波对的等效信道增益计算出源节点与中继节点的功率分配,最后通过凸规划分配不同子载波对的功率,并结合子载波配对获得系统的最大容量。仿真结果表明,与最优单中继选择算法和中继分用子载波算法相比,该算法的平均信道容量明显提高。(3)在单中继多用户的OFDM系统中,提出了一种最大化系统能量效率的资源分配算法。该算法在最大总功率和最小总传输速率的约束下,结合完整的信道状态信息,构建了使能量效率最大化的功率和子载波联合优化问题。由于能量效率的优化模型为非线性混合整数规划问题,求解极为复杂,为了降低该问题的复杂度,首先采用Dinkelbach方法将该优化模型变为线性凸规划,然后基于对偶规划对简化后的线性规划问题进行求解,最后结合匈牙利算法与次梯度算法求出最优解。该算法基于改进的DF中继方式,当中继与源节点或者中继与目的节点之间的信道状态较差时,可以动态的决定是否使用中继辅助传输信号,在保证系统业务速率需求的前提下,应用低复杂度的方法,大大提高了系统的能量效率。
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