（通信与信息系统专业论文）ofdma无线多跳中继系统下行链路自适应资源分配研究.pdf

摘要 由于对高吞吐量、低功耗和大覆盖范围的追求，中继网络架构有取代传统点对多 点网络架构的趋势。与此同时，o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 正交频分多址接入) 技术已成为一种主流选择，这是因为将整个带宽分割成多个平行 的子载波，可以减轻宽带系统中的频率选择性衰落问题。同时引入o f d m a 技术和中 继网络结构的系统，可以为资源分配提供更好的灵活性，例如可以利用子载波分配、 调度和功率控制来获得多维度的分集增益。因此，目前仍在制定的4 g 标准，如增强的 长期演进技术( l o n gt e r me v o l u t i o n a d v a n c e d ，l t e a ) 和w i m a x ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波互联接入) 都采用这种有潜质的基于 o f d m a 技术的中继网络架构。 中继作为未来网络必不可少的技术，其较低的布置和维护费可以给未来的网络带 来性能的提升，应用价值不言而喻。而移动中继较固定中继而言更具灵活性，在应急 通信、警察系统、用户做中继以及高速移动等场景下，已突显出其优势，未来的发展 前景不可估量。无线资源管理在确保无线系统性能方面起到决定性的作用，但是中继 的引入使得传统蜂窝网络的无线资源管理变得很更加复杂，而移动中继的移动性，即 中继位置存在不确定性，以及中继功率、能量的受限更给系统的资源分配带来了新问 题。同时，在能源危机的今天，节能减排，倡导绿色通信是当今通信界面临的一个重 大问题；而引入中继带来的功率、信令开销等必然需要消耗一定能量。因此，对移动 中继资源分配问题尤其是系统能效问题的研究，便成了一个很有意义的新问题摆在了 我们的面前。 论文主要研究了基于o f d m a 蜂窝多跳移动中继网络资源分配的问题，具体的研 究内容如下： 第一，就几种典型的移动中继部署场景，比较分析了移动中继固定功率方案和半 固定功率控制方案的差异。仿真结果表明：合理布置移动中继才能有效的带来增益； 移动中继半固定功率控制方案较固定功率方案更为灵活。为后面完全动态功率分配问 题的研究做铺垫。 第二，对基于o f d m a 和移动中继技术的系统资源分配算法进行了深入研究，分 别建立了功耗约束和能效约束的自适应资源分配算法模型，并利用遗传算法求解。同 时，此模型也作为后面仿真评估的对比方案。 第三，考虑移动中继移动性的特点，提出了适于下行o f d m a 多跳中继系统的关 联m r s 位置信息的资源分配方案，包括中继选择、载波和功率的联合分配以及小区内 的切换等方面，并通过仿真分析比较了其与基本的o f d m a 移动中继系统资源分配算 法在性能方面的不同。仿真结果表明，关联m r s 位置信息的算法虽然在一定程度上增 加了系统的功耗、降低了系统能效，但可以有效降低小区内的切换率，减少切换开销。 关键词：o f d m a ；移动中继；自适应资源分配；功耗：能效：关联位置 a b s t r a c t d u et ot h ep u r s u i to fh i g h t h r o u g h p u t ，l o wp o w e ra n dc o v e r a g e ，i ti sat r e n df o rt h e r e l a yn e t w o r ks t r u c t u r et or e p l a c et h et r a d i t i o n a lp o i n tt om u l t i p o i n tn e t w o r ka r c h i t e c t u r e m e a n w h i l e ，o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t e c h n o l o g yh a s b e c o m eam a i n s t r e a mc h o i c e t h i si sb e c a u s et h ee n t i r eb a n d w i d t hi ss p l i ti n t oa p l u r a l i t yo f p a r a l l e lc a r r i e r , w h i c hc a nr e d u c et h e i n f l u e n c eo ff r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n gi nt h e b r o a d b a n ds y s t e m i n t r o d u c i n gt h et e c h n o l o g yo fo f d m aa n dr e l a yt ot h es y s t e ma tt h e s a m et i m ec a n p r o v i d eb e t t e rf l e x i b i l i t yf o rr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，f o re x a m p l e ，u s i n gs u b c a r r i e r a l l o c a t i o n , s c h e d u l i n ga n dp o w e rc o n t r o lt oo b t a i nm u l t i - d i m e n s i o nd i v e r s i t yg a i n t h e r e f o r e ， t h eb e i n gd e v e l o p e d4 gs t a n d a r d sf o re x a m p l el t e a ( l o n gt e r me v o l u t i o n - a d v a n c e d ) a n d w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) b o t hu s et h i sp o t e n t i a lr e l a y n e t w o r ka r c h i t e c t u r eb a s e do no f d m a t e c h n o l o g y r e l a ya so n eo ft h ee s s e n t i a lt e c h n i q u e si nt h ef u t u r en e t w o r k ，h a sl o w e ra r r a n g e m e n t a n dm a i n t e n a n c ec o s t sw h i c hc a ni m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft h ef u t u r en e t w o r k w h i l et h e m o b i l er e l a ys t a t i o ni sm o r ef l e x i b l et h a nt h ef i x e dr e l a ys t a t i o n , a n di t s a d v a n t a g ei sv e r y o b v i o u si ne m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n s ，p o l i c es y s t e m ，u s e r sr e l a ya n dh i g hs p e e dm o b i l e s c e n a r i o s ot h ef u t u r e d e v e l o p m e n tp r o s p e c tw i l l b ei n e s t i m a b l e r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n tp l a y sad e c i s i v er o l et oe n s u r et h ew i r e l e s ss y s t e mp e r f o r m a n c e b u tt h er e l a y s t a t i o nm a k e sr e s o u r c em a n a g e m e n to ft h et r a d i t i o n a lc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r km o r e c o m p l e x t h em o b i l i t yo fm o b i l er e l a y ( u n c e r t a i n t yr e l a yl o c a t i o n ) a n dt h ef i n i t u d eo fp o w e r a n de n e r g yo ft h er e l a ys t a t i o nb r i n gn e wp r o b l e m st ot h es y s t e m 。sr e s o u r c ea l l o c a t i o n a tt h e e n e r g yc r i s i st o d a y , e n e r g y - s a v i n ge m i s s i o nr e d u c t i o na n dp r o m o t i n gg r e e nc o m m u n i c a t i o n a r eam a j o rp r o b l e mf o rt h ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yt of a c e w h i l et h ep o w e ra n ds i g n a l i n g o v e r h e a db r o u g h tb yr e l a ys t a t i o nn e e dt oc o n s u m ee n e r g yi n e v i t a b l y t h e r e f o r ei t i s m e a n i n g f u lt od or e s e a r c ho nr e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mo ft h em o b i l er e l a ys y s t e m ， e s p e c i a l l yt h es y s t e me n e r g ye f f i c i e n c yp r o b l e m t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e dt h er e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mb a s e do no f d m ac e l l u l a r m u l t i h o pr e l a yn e t w o r k t h es p e c i f i cc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t , t h et h e s i sc o m p a r e sa n da n a l y z e st h ed i f f c r e n c e sb e t w e e nf i x e dp o w e rs c h e m ea n d s e m if i x e dp o w e rc o n l x o ls c h e m eo fm o b i l er e l a ys t a t i o nu n d e rs e v e r a lt y p i c a lm o b i l er e l a y d e p l o y m e n ts c e n a r i o s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h er a t i o n a ll a y o u to fm o b i l er e l a y c a ne f f e c t i v e l yo b t a i ng a i n ；a n dt h es e m if i x e dp o w e rc o n t r o ls c h e m ei sm o r ef l e x i b l et h a n t h ef i x e dp o w e rs c h e m e ，w h i c hm a ys u p p o r tt h ec o m p l e t e l yd y n a m i cp o w e ra l l o c a t i o n s e c o n d t h et l l e s i sd o e sd e e p l yr e s e a r c ho nr e s o u c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do n o f d m aa n dm o b i l er e l a yt e c h n o l o g ys y s t e m ，e s t a b l i s h e sp o w e rc o n s t r a i n e da n de n e r g y c o n s t r a i n e da d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mm o d e l ，a n d t h e nu s e st h eg e n e t i c a l g o r i t h mt os o l v e t h i sm o d e lw o r k s a st h es i m u l a t i o nc o n t r a s ts c h e m e t h i r d ，c o n s i d e r i n gm o b i l er e l a ym o b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e t h e s i sp u t sf o r w a r dt h e r e s o u 】ea l l o c a t i o ns c h e m e s u i t a b l ef o ro f d m am u l t i h o pr e l a yd o w n l i n ks y s t e m s a s s o c i a t e dw i t ht h em r sp o s i t i o ni n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gt h er e l a ys e l e c t i o n , c a r e e ra n d p o w e ri o i n td i s t r i b u t i o na n dh a n d o v e rw i t h i nt h ea r e a , a n dt h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h a to f t h eb a s i co f d m am o b i l er e l a ys y s t e mi nt e r m so ft h ep r o p e r t i e s t h e s i r e u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ep o s i t i o n a s s o c i a t e da l g o r i t h mi n c r e a s e st h es y s t e mp o w e r c o n s u m p t i o nt os o m ee x t e n t ，r e d u c e s t h es y s t e me n e r g ye f f i c i e n c y , b u tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e h a n d o v e rr a t ew i t h i nt h ec e l l ，a n dh a n d o v e rc o s ta sw e l l k e yw o r d s ：o f d m a ；m o b i l er e l a y s t a t i o n ；a d a p t i v e r e s o u r c e a l l o c a t i o n ；p o 、r c o n s u m p t i o n ；e n e r g ye f f i c i e n t ；p o s i t i o n 。a s s o c i a t e d 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 在未来的4 g 网络中，为了实现覆盖范围和容量的提升而引入中继( r e l a ys t a t i o n ， r s ) ，许多大学和公司正独立开展研究或参与到某个论坛或项目组中( 如3 g p p 的 o f d m a 放大器、w w r f 的固定中继以及最近的w i n n e re u i s tf p 6 项目) 对其进 行研究。中继主要有两种网络结构，一种是固定中继( f i x e dr e l a ys t a t i o n ，f r s ) ，一 种是移动中继( m o b i l er e l a ys t a t i o n ，m r s ) ，如图1 1 所示。以往的研究主要是基于 固定中继，研究表明：尽管存在一些问题需要进一步的研究和解决，固定中继在布置 和维护费方面可以给未来的网络带来性能的提升坝慷捆引朋。但在应急通信、警察系统、 组建a dh o e 网以及高速移动的场景下，仅仅采用固定中继并不能很好的满足用户需 求；它需要中继能随着场景的变化移动起来，这就引入了移动中继的概念。 f r s 的布置数量以及布置位置在网络规划时是确定的。与f r s 相比，m r s 在无线 蜂窝网中的布置更加灵活。m r s 实际上就是一个增加了移动特性的f r s ，不仅可以提 高覆盖范围和系统容量，同时降低部署或维护的费用。但是，采用m r s 并无法取代 f r s ，而是对f r s 的一个补充，或者是当f r s 不能起到很好效果时提供附加增益。m r s 希望能实现多种不同的目标，而不仅仅是为传统蜂窝网或固定中继网提供补充覆盖覆 兰【2 】 mo 漭 a ) 固定中继 b ) 移动中继 图1 - 1 中继应用场景 部署移动中继的主要理由i 副： 在资本支出和运营支出方面，比传统网络拓扑的解决方案更加便宜，有时可能比基 于固定中继的网络拓扑也便宜。 由于其移动性，可提供一个a dh o c 网覆盖。 为u e ( u s e re q u i p m e n t ，用户设备) 集中的突发事件提供覆盖，如交通事故。 为不常发生但可以提前得知的事件提供覆盖，如足球比赛。 可以在无法布置固定中继的地方提供覆盖。安放在火车或轮船上的固定中继实际上 就是一个移动中继。 通过降低发送功率等级来减轻干扰，从而提高容量。 上面这些就是移动中继应用的场景，为了让大家深入了解，举几个具体的例子。 例如，在应急通信中，当部分基础设施受到损伤，急需提高覆盖范围或提高系统容量 时，可临时布置车载移动中继。移动中继不仅具有固定中继的全部功能，更可以在必 要的时候，随着通信业务量分布而移动。此外，在警察系统中，如图1 2 所示，尤其 在大面积搜救过程中，指挥车会随着搜救人员一起前进，搜救人员通过指挥车和指挥 中心联系，此时的指挥车就充当了移动中继的角色，为指挥中心和搜救人员提供交流 的纽带。还有在业务量较少的城乡区域，用户范围较大，但基站在节约功耗、降低成 本的考虑下，覆盖范围有限，而中继的成本比基站低得多，此时就需要布置中继来增 加覆盖范围。当业务量较少且分布不断变化时，可以考虑用用户做中继，扩大基站的 覆盖范围，弥补基站覆盖盲区。这种用户做中继的情况，也是移动中继的一个典型的 应用场景。综上所示，移动中继的应用比较广泛，对其进行深入的研究是有一定意义 的。 图1 - 2 移动中继在警察系统中的应用 此外，随着移动通信事业的发展，整个通信行业消耗的能源急剧增加。过高的能 耗不仅给运营商带来了较大的运营成本，也给环境带来了污染【4 】【5 1 。以保护环境、构建 社会主义和谐社会为目标，通信产业逐步追求网络环保性能的提升，构建绿色移动通 信，实现通信产业与环境的可持续发展f 4 】【5 】，降低功率符合各方利益。因此降低能耗 是大有可为的研究方向。 综上所述，中继作为未来网络必不可少的技术，其应用价值不言而喻。而移动中 继较固定中继而言更具灵活性，未来的发展前景不可估量。但是中继的引入使得传统 蜂窝网络的无线资源管理变得很复杂，而移动中继的移动性，即中继位置存在不确定 性，以及中继功率、能量的受限更给系统的资源分配带来了新问题。同时，在能源危 机的今天，节能减排，倡导绿色通信是当今通信界面临的一个重大问题：而引入中继 带来的功率、信令开销等必然需要消耗一定能量。因此，对移动中继资源分配问题尤 其是系统能效问题的研究，便成了一个很有意义的新问题摆在了我们的面前。 1 2 国内外研究现状 中继这一概念作为传统的无线移动网络的扩展得到了通信界的广泛关注。近年， 在w i n n e r 项目中，移动中继的概念也突显出来，该项目组初步评估了移动中继与固 定中继和传统网络拓扑相比的一些特性【l 】：可以预见到，下一代无线移动网络技术将整 合中继技术，以改善系统性能。在当前传统的无线蜂窝网络中，用户设备( u e ) 直接 与基站通信，基站控制着这些在自己覆盖范围内的用户设备。然而，在中继辅助的无 线移动网络中，用户设备能够直接与基站通信，或间接使用一些中继站将它们的信号 传送到基站。在这种情况下，一个直接从u e 到e n o d eb ( e n b ) ( e v o l v e dn o d eb ，演 进型节点b ) 或从e n b 到l i e 的坏链路可以分成两个短的更高质量的链路，一个u e r s 链路和一个r s e n b 链接，或者一个e n b r s 链接和一个r s u e 链接。合理利用中继可 带来覆盖范围和容量的提升。 + 对于中继的研究，有两种不同类型的中继网络结构。一是对固定中继站( f r s ) 的 研究，在过去的几年中，已深入的探究了其潜在的优势，并提出了大量的研究论文和 研究成果。另一个是对移动中继站( m r s ) 的研究，并提出了其潜在的优势。f r s 是 网络基础设施的一部分，因此在网络规划、设计和部署过程中就需要考虑在一个小区 中部署多少f r s 以及部署在哪里等问题。f r s 相比，m r s 能灵活部署在无线移动网络 中。m r s 实际上就是f r s “移动”的一面。采用m r s 的目标不是取代f r s ，而是作 为一个补充的解决方案。 一般来说，在无线移动网络中主要有两种不同的m r s 应用情景。一个是安装在车 辆上的m r s ，如火车、公共汽车、汽车等，用于覆盖车内或车外的区域或l i e 。另一 个是不活跃的l i e ( 即在空闲状态) 充当m r s ，为活跃的l i e 和e n b 传递信号。 1 2 1 资源分配算法研究现状 根据资源分配优化目标的不同，o f d m a 系统的资源分配问题主要分为r a ( r a t e a d a p t i v e ，速率自适应) 和m a ( m a r g i na d a p t i v e ，余量自适应) 两种优化准则【6 】。 r a 准则是在保证用户q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 和系统总发射功率一定的 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 情况下，通过合理的子载波、功率和比特分配，实现系统吞吐量或频谱利用率的最大 化：m a 准则是在保证用户q o s 和一定数据速率的情况下，通过合理的子载波、功率 和比特分配，实现发射功率最小化。由于每个子载波只能分配给一个用户使用，因此 这些问题都是属于组合优化问题，虽然通过穷举搜索可以得到问题的最优解，但是其 计算复杂度随着子载波数量的增加而呈指数增长，因此相关的研究工作都是围绕寻找 次优解来展开的。现有的资源分配算法大都是基于这两种准则提出的，由于两种准则 侧重点不同，因此相应的算法也有所差异【6 】。 早期的算法1 7 j 是根据各用户在不同子载波上的增益的差别，将子载波分配给在其上 增益最高的用户使用，然后利用注水算法分配功率，从而实现系统吞吐量的最大化【6 1 。 但是这种算法使得信道质量好的用户得到了更多的子载波资源，而信道质量差的用户 得到资源很少甚至得不到资源，严重影响了系统用户的公平性。基于这一弊端，后续 的研究侧重于将用户公平性作为一个算法的性能指标，加入到基于r a 准则的资源分 配问题中。常用的公平性的准则主要有最大最小公平准则、比例公平准则以及基于权 重的公平准则i o j 。 功率最小化问题是在满足用户最小速率要求的前提下，获得最小的系统总发射功 率。最早对此问题的求解利用的是拉格朗日乘子发法【8 】，但是该算法需要同时搜索多个 参数，复杂度极高，不适用于实际的资源分配。因此之后的研究着重于寻找复杂度较 低的次优算法，大体分成分步式算法1 9 - l o 】、启发式算法【1 1 。1 2 】以及凸优化算法【1 3 舶1 三种【6 1 。 分步式算法的主要思想是将一个复杂的求解过程分布进行，具体放到资源分配问 题中，就是固定载波、功率和比特三个变量中的一种或两种，对余下的变量进行求解， 然后在考虑加入先前固定变量对问题的影响，从而降低算法求解的复杂度。但这种方 法如果加入先前固定变量后处理不好，会导致所求的次优解离最优解相差极大，因此 分布式算法的步骤设置对结果极为重要。启发式算法是指已有的仿生算法，禁忌搜索、 模拟退火、遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等都属于此。将这些现成的算法直接套 用到资源分配问题的求解中，或者根据实际问题对算法进行部分修改，都可以在一定 复杂度下得到资源分配问题的近似解。凸优化算法是利用对偶理论、分解理论等将复 杂问题转化为若干独立的子问题，并且通过对子问题的求解来获得原问题的解【4 】。神经 网络的主要缺点是容易陷入局部最优解，并且解集的变化依赖于初始值。模拟退火虽 然能得到最优解，但比较复杂，且收敛速度慢。在遗传算法中，交叉概率和变异概率 的选择是影响算法行为和性能的关键所在。传统遗传算法采用固定的交叉、变异概率， 无法根据种群的当前状态对进化过程进行动态调整，往往导致种群多样性过早流失， 算法陷入局部最优解，引起过早收敛。 功率最小化资源分配问题可以说成是速率最大化资源分配问题的逆推过程，由于 要根据分配的功率才能求解出信道的数据速率，且两者并不是线性变换的，因此求解 功率最小化问题的算法更加复杂，甚至常常求不出最优解，更具研究意义。 1 2 2 固定中继系统研究现状 在传统的o f d m 蜂窝网络中引入中继，必然要导致系统无线资源管理方面的不同， 在接入控制、功率控制和资源分配方面产生很多新的问题。对于多跳中继网络，为了 最大限度地提高系统的频谱、时间和功率效率，最小化用户间的干扰，必须合理的配 置源和中继节点的功率资源、频谱资源和时间资源。目前，对基于f r s 的中继系统的 研究已很多。前期相关研究工作主要集中在协作中继如何提高系统的吞吐率上，部分 研究开始关注于在保证用户q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 的前提下，如何满足 能耗约束。特别近年来，下一代无线网络物理层已确定选用o f d m a 技术，因此对 o f d m o f d m a 多跳中继网络的资源分配与优化问题的关注越来越多。已有文献中， 有对解码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，d a f ) 中继进行研究，也有对放大转发( a m p l i f ya n d f o r w a r d , 丸虹) 中继资源分配问题进行关注的；有针对单变量优化的，也有着眼于带 宽、功率等多个变量联合优化的：有利用拉格朗日乘子法计算的，也有选用分布式算 法求解的等等【l 地引。 但是目前对于无线多跳中继网络无线资源分配问题的研究，多侧重于系统吞吐量 和功耗的研究，对基于能效的多种资源的联合分配与优化问题尚未可见；目前的研究 多是针对固定多跳中继系统，在移动多跳中继系统中，由于移动中继位置随时间变化， 使得资源分配问题变得更加复杂，因此，我们需要对此问题进行更为深入地研究。 1 2 3 移动中继系统研究现状 在传统o f d m a 系统中引入r s 技术，可以使系统性能得到改善，与此同时也给 系统的资源分配方面带来了一系列新问题，例如中继链路占用额外的资源，多跳链路 间容量存在瓶颈效应，小区间干扰协调复杂，帧结构需要调整，用户可选的接入方式 增多等等。而移动中继的引入使得系统的资源分配机制变得更加复杂，移动中继位置 的不断变化，使得接入中继的用户由于中继的移动可能需要进行重新的接入选择或小 区内切换，增加了资源分配的复杂度。 已有的文献中对m r s 进行研究的文献较少，内容多局限于覆盖率、吞吐量、功控 和切换中一个方面。文献 2 9 3 1 】对移动中继网的吞吐率进行了深入的分析。文献 2 9 】 分析了多跳蜂窝网络中，移动中继对系统上行链路的吞吐率和时延影响。该文章根据 接收到的导频信号强度判断用户设备是采用多跳还是单跳通信，通过仿真分析证明了 多跳通信显著提高了系统性能，尤其当用户移动速度较快时。文献【3 0 】基于3 g p p l 1 陋- a ，分析比较了四种场景的频谱效率和容量增益，分别是基准、小区分裂、固定中 继和车载专用移动中继。此外还讨论了正交和非正交的资源分割和复用对系统的影响。 文中使用归一化的频谱效率b p s h z k m 2 来比较标准系统、小区分裂场景和中继系统的 增益，假设直传用户和中继用户的吞吐率平衡，也就是说一跳用户和两跳用户可以获 得相同的q o s 。对于均匀分布用户，直传区域和中继区域的吞吐量跟区域内服务的用 户数目成正比，也就是跟区域面积成正比，从而将分析的问题简化。但该文章有点 不足，它在分析移动中继吞吐量时也是按固定中继的方法，没有考虑时间问题。文献 【3 1 就移动中继给无线网络带来的优点进行了量化研究，重点放在移动中继提高基站覆 盖率和吞吐率方面。文章根据用户位置和接收到得基站和r s 信干噪比强度计算出可用 中继范围，然后统计进入、移出该可用区域移动中继数目。文章从中断率、路径持续 时间、连接持续时间和连接中断概率等方面对提出的算法进行了评估。 文献 3 2 、3 3 】研究了移动中继的功耗问题。文献 3 2 1 分析的是车载移动中继的功控 问题。m r s 以一定速率按一定方向运动，运动中可以为u e 提供覆盖服务，文章中移 动中继的运动轨迹固定，分析了几种不同的功控方式以及基站、中继和用户设备的位 置对接收功率的影响。该文献给我们的启发是并不是所有情况均适合用m r s ；当m r s 离m s 越来越近时，可以降低m r s 的发射功率，节约能量，降低干扰；当m r s 离m s 越来越远时，一方面在一定范围内可以考虑提高m r s 的发射功率，或者将该m s 切换 给b s 或其他近距离的m r s 。文献【3 3 】研究的是i e e e8 0 2 1 6 j 中移动中继的小区吞吐量 和服务覆盖范围，同时也分析了资源管理问题如部分重叠子载波分配和正交子载波分 配，以及中继功率控制如简单的移动中继开关控制，并将提出的算法与比例公平算法 和移动台辅助的机会调度算法进行了比较。该文提出的算法的小区吞吐量比无中继情 况的高；通过增加移动中继数目，可以提高部分重叠子载波分配策略的小区吞吐量； 带m r s 开关控制的部分重叠子载波分配策略下的小区吞吐量也比不带m r s 功控的吞 吐量高。正交子载波分配的服务覆盖范围大于重叠子载波分配的覆盖范围；带m r s 功 控的重叠子载波分配策略的覆盖范围也大于不带功控的覆盖范围。 文献【2 主要是根据接收信号功率大小，分析了无线蜂窝网络中b s 和u e 的掉话率。 文章采用固定增益的a f ( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，放大和转发) 移动中继，仿真的场景 为高速列车中继场景，具体为移动中继固定在高速移动的列车上，在单个小区中，覆 盖车厢内的u e ，也就是说u e 到m r s 的距离固定。随着b s 和m r s 的距离变化，两 跳链路的路径损坏和阴影衰落都将有所变化，b s 和u e 接收到的信号功率也随之变化， 当接收信号功率低于某一个值时，就认为发送掉话。对所有低于圪i 。的情况积分， 得系统的掉话率c d p ( e ，d ) = p ( p r p ) ) 。这篇文章仿真模型极为简单，没有分析 移动中继网吞吐率、功耗、时延等性能指标，在分析掉话率时也只是从路径损坏和阴 影衰落大尺度衰落方面进行分析，没有考虑切换、多普勒频移等其他因素引起的掉话 率增加的问题。 文献【3 4 】分析的内容与以往的论文有所不同，它提出了一种协作扫描机制来克服 m r s 和m s 周期性扫描导致的服务中断时间增加这一问题。移动中继网络中，由于 m r s 并不知道触发切换的确切时刻，即使沿固定线路运行的车载m r s 也不例外，所 以m r s 必须执行扫描过程来收集网络拓扑信息并完成切换。在m r s 的扫描周期里， 接入该m r s 的m s 无法与b s 通信；m s 也需要进行周期扫描，以便可以在m r s 移走 后直接接入b s ，这样就导致了接入m r s 的m s 服务中断的增加。为了防止服务中断 时间的增加，b s 要认真设置接入m r s 的m s 的扫描时间，以便选择m r s 的扫描时间 参数。 已有文献关注的多是移动中继系统覆盖率提升和吞吐率提升问题，其中不乏有功 率控制的文章，但它们的优化目标也是通过进行功控，提高系统的吞吐率。估计是因 为引入移动中继的主要目的是弥补传统网络覆盖和固定中继覆盖的不足，提高系统吞 吐率，所以绝大多数文献都是关于这两个问题的研究。既然已有的研究成果已经充分 体现了布置移动中继的重要意义，那么我们更应该对其带来的问题进行深入研究。 研究功率分配和能耗问题的少之又少，且多针对上行用户做中继的移动中继情况。 由于l i e 的功率和能量有限，用它作中继必将加剧其能量的消耗，研究其节能问题是 很有必要的，但却忽视了其他类型移动中继的能耗问题。那么，我们研究车载移动中 继能耗问题是否有意义，意义是否很大? 事实上，车载移动中继也是靠电池供电，虽然电量比u e 作中继时要大很多，但 也不是无限供应的：而且随着能源的不断消耗，节能减排、绿色通信也成为了我们研 究的热点，因此我们研究考虑能耗约束的车载移动中继的资源分配算法是有重要意义 的。 总体来说，对于多跳移动中继系统无线资源管理的研究方兴未艾，此外随着无线 通信领域发展的多目标性和高能效性，研究者们尝试着寻求更为高效合理、更为节能 减排的算法，进一步提升系统性能【3 5 1 。 1 3 论文主要内容和结构安排 本文广泛深入研究了基于移动中继技术的无线通信网络下行链路的资源分配问 题，围绕移动性给系统带来的增益，研究移动中继系统下行链路资源分配问题，分析 移动中继对系统吞吐率、功耗、能效和小区内切换率等的影响。研究内容主要包括： 参照传统网络拓扑结构，针对m r s 覆盖范围和相关连接问题，就几种典型的移动中继 部署场景比较分析了移动中继固定功率方案和半固定功率控制方案的差异；对低速无 线多跳移动中继系统的多用户子载波、功率和比特数联合分配算法的研究，提出一种 关联位置信息的资源分配算法，重点比较分析了在功耗最小和能效最大两种优化目标 下，该资源分配算法与不关联位置信息的算法的性能差异和优缺点。 本文的主要内容安排如下： 第2 章主要对o f d m a 多跳移动中继系统的相关技术理论进行了简介，首先首先 概述了o f d m a 和中继技术的基本原理；然后具体阐述了移动问题的定义以及移动中 继技术的概念，对比了移动中继与固定中继的异同，重点分析了引入移动中继之后的 无线多跳系统在资源分配方面存在的新问题，为下面移动中继功率控制问题的研究奠 定了理论基础，也为自由移动场景下的o f d m a 多跳移动中继系统下行链路资源分配 机制的研究打下了坚实的理论基础。 第3 章主要研究了移动中继功率控制的问题，就几种典型的移动中继场景，初步 分析引入移动中继后系统性能尤其是接收功率的变化。这一章首先阐述了移动中继固 定功率方案和半固定功率控制方案，然后参照传统网络拓扑结构建立典型的移动中继 模型，就几种典型的移动中继场景，对两种功率控制方案就行仿真分析和比较，为下 一章完全动态地功控方案和关联位置信息的思想做铺垫。 第4 章阐述了低速无线多跳移动中继系统的关联位置信息的资源分配算法，包括 子载波、功率和比特分配。在低速场景下，针对车载移动中继为车外面用户提供覆盖、 电池电量有限等特点，提出了关联位置信息的资源分配算法，然后搭建低速o f d m a 多跳移动中继网络的系统仿真平台，基于该平台，在保证系统吞吐率的情况下，分别 以系统功耗最小和系统能效最大为优化目标，重点分析了该资源分配算法在这两种优 化目标下与不关联位置信息的算法相比性能上的差异和优缺点。 最后总结全文，得出结论并对未来的工作进行展望。 第2 章o f d m a 多跳移动中继系统关键技术 将o f d m a 和中继技术结合在一起应用到同一无线通信系统，称为o f d m a 多跳 中继系统。若该系统中具体采用移动中继，那么该系统又可以称为o f d m a 多跳移动 中继系统。 o f d m a 系统采用正交频分多址接入技术，该技术具有频谱利用率高和抗频率选 择性衰落能力强的特点。在频率选择性衰落信道环境中，不同频率分量的信道经历不 同的频率选择性衰落，这一衰落对不同用户存在差异性。利用用户对信道频选衰落的 差异性，o f d m a 技术能够为用户动态分配子载波。具体在不同时间段，能够为各用 户分配适宜的可用子载波资源，并根据信道状况确定相应的发射功率，从而达到无线 资源的合理优化利用。 在4 g 标准中，中继的引入可以增加网络覆盖范围、弥补网络覆盖盲区，系统网络 容量。依据中继的移动性，中继可以分为固定中继和移动中继。两者在功能上并没有 本质的区别，主要的差异仅仅表现在移动性上，也正因为移动性使得对移动中继系统 的分析比固定中继系统复杂的多。 图2 - 1 多跳中继系统下行链路示意图 图2 1 为典型的两跳中继系统下行链路示意图，图中安装在车上的中继设备即为 移动中继器，该设备随着汽车火车的运动，动态地为车内和车外用户提供接入服务。 小区中u e 根据一定的路径选择策略决定接入e n b 或r s ，根据接入点的不同将l i e 分 成直传用户和中继用户。当l i e 选择直接与e n b 通信，则为直传用户：当u e 选择通 过r s 转发数据与e n b 通信，则为中继用户。当在一条中继链路上存在多个r s ，即 l i e 需经过多个r s 转发数据方可与e n b 通信，这样的系统称为多跳中继系统。以下行 链路为分析依托，将e n b r s 与l i e 之间的无线链路( e n b 瓜s u e ) 称为接入链路 ( a c c e s sl i n k ) ，将e n b r s 与r s 之间的无线链路( b s r s r s ) 称为中继链路( r e l a y l i i l l ( ) 。 首先概述了o f d m a 和中继技术的基本原理；然后具体阐述了移动问题的定义以 及移动中继技术的概念，对比了移动中继与固定中继的异同，重点分析了引入移动中 继之后的无线多跳系统在资源分配方面存在的新问题，为后续研究做铺垫。 2 1o f d m a 技术 2 1 1o f d m a 主要类型 常见的o f d m 多址接入技术是将o f d m 和f d m a 技术结合产生的o f d m a 技术， 这种o f d m a 技术可分为两类：子信道o f d m a 和跳频o f d m a i 明。 1 子信道o f d m a 子信道o f d m a 是将整个系统的带宽按一定准则分成若干子信道，每个子信道包 括若干子载波，资源分配时为每个用户分配一个或多个子信道。 o f d m 子载波有两种组合成子信道的方式，分别是集中式和分布式。集中式子信 道组合方式是将若干连续子载波分配给一个子信道，如图2 2 所示，利用频域调度的 方法，系统选择较优的子信道分配给用户进行传输，从而获得多用户分集增益。此外， 连续子载波分配方式也使得信道估计的难度降低。缺点是获得的频率分集增益较小， 用户的平均性能略差【3 7 】【3 8 】。 用户l用户2 仑一 用户3 图2 - 2 集中式子载波分配 分布式子信道组合方式是将不连续的子载波分配给一个子信道，即将一个子信道 的子载波分散到带宽。如图2 3 所示，各子信道的子载波交替排列，各子载波衰落不 一川 同，从而获得频率分集增益。该方式的缺点是信道估计较为复杂，抗频偏能力较差， 无法采用频域调度。实际系统设计中应根据实际情况在灵