多用户双向中继系统的用户调度方案研究

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近些年来,双向中继系统以其在提高频谱效率方面的优势受到了研究者们的广泛关注,并已经应用于如Ad-hoc网络,蜂窝网络等多种场景中。然而,在现有的研究中,对于中继传输系统中的用户调度方案设计并不多见。为了能够更全面分析双向中继系统的特性,提高系统的传输性能,本文研究了不同场景下的用户调度算法,并对系统性能进行了分析。本文的主要创新和贡献如下:1)在多用户双向中继场景下,当用户和中继配备的天线数量满足特定条件时,应用传统的信号空间对齐技术能够有效提高系统的自由度。然而,当特定条件不满足时,空间维度不能再支持信号空间对齐,此时系统的自由度会大大降低。针对此问题,本文提出了一种新的机会信号空间对齐方案,该方案基于奇异值分解技术实现,同时联合波束成型方案和用户选择技术,通过引入多用户分集技术完成机会信号空间对齐。最后,通过仿真实验验证了所提方案与传统方案相比,在和速率上得到一定程度的提高。2)在多用户的双向中继系统中,为了提高系统的分集增益,研究者们引入用户调度算法,然而在提高系统性能的同时也提高了实现的复杂度。为了最大限度的降低系统复杂度,提出了一种基于信道系数模值的低复杂度用户调度方案。虽然该方案在复杂度上有明显优势,但是系统性能却不是很理想,所以,本文提出了一种基于信道模值与信道正交性的调度方案,该方案能达到的系统性能近似于最优调度方案,但是中继需要掌握全局信道状态信息并进行集中运算。值得注意的是,该方案能够保证在较低的复杂度条件下,达到接近最优调度方案的系统性能。但是,虽然该方案性能上有较大优势,复杂度却相对较高,因而,本文进一步提出了一种分步调度方案。这种分步调度方案设定一个固定的阈值来平衡复杂度/CSI和系统性能,该方案显著改善了中继的CSI开销和运算复杂度,在系统性能上略差于最优方案。3)在无线信息与能量传输系统,为了有效利用能源,引入了能量收集技术。本文主要设计了一种能够使系统在长时间内达到平均最大容量的中继调度方案,同时保证中继消耗较少的能量。在该场景下,中继所需能量也需要考虑在内。通过运用数学工具,将目标函数转化为凸优化问题,进而得出最优解。该方案虽然在性能上具有较高的优越性,但是复杂度却很高,为了减少运算的复杂度,本文还提出了一种低复杂度的次优方案。本文提出的最优算法最大化了系统的平均和速率,同时尽可能的减少从中继中收集的能量,达到了和速率和收集能量大小的折中。最后,在仿真结果中给出了系统能量性能和信息传输性能间的折中关系,验证了所提算法的有效性。
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