无线中继网络传输机制分析与优化设计

发布时间：2018-05-01 15:35

本文选题：无线中继 + MIMO　；参考：《西南交通大学》2014年博士论文

【摘要】：随着无线通信网络技术越来越广泛应用于现代社会中,例如卫星通信网络、WIFI网络、蜂窝网络、无线感知和控制网络等,其中的无线业务对网络的容量、时延、可靠性等提出了更高的要求。然而,容量、时延、可靠性之间存在折中关系,较大的容量往往意味着较低的可靠性或者较高的时延,较高的可靠性以较低的容量或者较大的时延为代价。普通无线通信网络对容量以及时延提出了较大的要求,而无线多跳中继网络(例如无线感知和控制网络)则对端到端可靠性以及时延有迫切的需求。在普通无线通信网络中,有两项物理层技术受到人们的极大关注：中继技术,可以扩展传输范围、提高系统容量和降低无线接入的成本；多天线技术,可以带来空间复用和分集增益。另一方面,无线多跳中继网络中的多径路由可以提高端到端的可靠性和降低时延。本文针对普通的单向中继网络和多向中继网络进行了深入研究,旨在提高网络的容量性能；针对无线多跳中继网络进行了深入研究,旨在满足时延限的前提下提升端到端的可靠性。首先,考虑单向MIMO AF中继网络,其中信源、中继、信宿三节点组成并且不考虑信源与信宿的直达链路。已有研究仅考虑信源-中继和中继-信宿两条链路子信道数匹配的情况,在不匹配的时候,已有方案会导致端到端容量的损失。本文提出了基于时间调度和子信道匹配的设计方案。仿真结果表明,通过合理的时间分配、子信道对齐、功率分配,可以极大的提高端到端容量。·其次,研究了MIMO多向中继网络,K个信源通过中继交换信息。a).分别分析了不存在和存在信源直达链路时的可达容量区域,该容量区域考虑了时间分配和信源调度方案。分析结果表明,在给定信源波束成形方案时,容量区域可以由有限个时间分配与信源调度方案下的容量区域表示；合理的时间分配与信源调度可以大大地扩展可达容量区域,信源之间的直达链路能进一步将容量区域扩大。b).针对MIMO多向中继网络中多信源信息检测的高复杂性与节点获取网络信道信息的高开销,提出了比较简单实际的方案。所提方案基于干扰对齐思想,每个信源仅需要自身到中继的信道状态信息。通过信源端基于迫零的预编码方法实现信号在中继端的对齐,而信源端通过自身的信号和连续干扰消除方法恢复来自其它信源的信号。对该方案下网络的中断性能进行了近似分析,并且提出在中继端利用部分网络的信道状态信息来进行最佳功率分配,从而进一步提高性能。c).针对多中继网络,考虑双向多中继网络的中继选择技术。针对双向多中继网络中继选择方案对信道信息的高要求,提出了低复杂度的切换-停留中继选择方案。推导了所提方案的中断性能的闭合表达式与分集阶数,结果表明该方案以较低的实现复杂度和开销取得与最优中继选择方案相同的中断性能,并且能够实现满分集增益。仿真实验验证了分析的正确性。最后,考虑无线多跳中继网络中时延与可靠性之间的折中关系。以时延受限的无线感知和控制网络为例,研究给定时延限下如何最大化端到端的可靠性。在多信源单信宿时延受限的无线感知网络中,由于信源数据负载和节点密度比较高,使得传统基于争用的传输方案时延、能量效率、可靠性差。而多径路由和离线TDMA技术在时延、可靠性、以及能量效率方面具有比较大的优势。针对多径路由的拓扑结构,论文采用基于TDMA的离线传输方案,提出了专用调度和共享调度两种方案,并且对各种调度方案的性能进行了近似的分析。实验结果表明提出的方案能够极大的提高网络的性能,多径路由能够取得较高的能量效率而单径路由可以取得更好的可靠性能。总之,本文针对单向中继网络和多向中继网络的研究表明,合理的传输机制在同样的时间、空间、功率等资源消耗下可以增加网络容量,或者在实现复杂度与性能之间取到合适折中；类似地,针对无线多跳中继网络的研究表明,合适的传输方案可以在时延与可靠性之间取得合适的折中。
[Abstract]:As the wireless communication network technology is widely used in modern society , such as satellite communication network , Wi - Fi network , cellular network , wireless sensing and control network , etc . , there is a tradeoff between capacity , time delay and reliability .
On the other hand , the multi - path routing in the wireless multi - hop relay network can improve the end - to - end reliability and reduce the time delay .
This paper studies the wireless multi - hop relay network to improve the end - to - end reliability without considering the direct link between source and sink . Analysis results show that in a given source beamforming scheme , the capacity region can be represented by the limited time allocation and the capacity region under the source scheduling scheme .
reasonable time allocation and source scheduling can greatly expand the reachable capacity region , and the direct link between the sources can further expand the capacity region . b ) . Aiming at the high complexity of multi - source information detection in MIMO multi - directional relay network and the high overhead of the node acquiring network channel information , a simpler and practical scheme is proposed . In this paper , based on TDMA - based off - line transmission scheme , this paper puts forward two schemes of scheduling and sharing scheduling based on TDMA . The results show that the proposed scheme can greatly improve the performance of the network .
Similarly , studies for wireless multi - hop relay networks have shown that a suitable transmission scheme can achieve a suitable compromise between time delay and reliability .

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN925

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