多输入多输出（MIMO）中继网络中跨层结构的能效分析

发布时间：2017-04-01 16:03

  本文关键词：多输入多输出（MIMO）中继网络中跨层结构的能效分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线网络对于可靠性、速度、灵活性、容量以及数据传输速度的需求很高,因此解决无线媒体的相关问题是非常重要的。分集技术的出现对于解决无线媒体的信道条件的动态变化引起的相关问题是一种有效的解决方法,例如噪声干扰、低可靠性以及能量消耗等等。协作通信利用了无线媒体的广播特性,通过利用相邻的节点作为中继在发送端和接收端之间建立起不同的路径。 在无线网络中利用节点进行协作通信可以获得许多好处,例如可以获得分集增益或当所有路径都失效的情况时也可通过这种机制补救。不仅如此,许多研究者都证实联合采用协作通信和MIMO技术可以在容量、传输范围以及可靠性方面都提到提高。 之前的研究者都是考虑的理想模型,忽略了监听和计算所消耗的能量。然而在像WSN这样的无线分布式网络中,监听和处理所消耗的能量在总的消耗的能量中可能会占据相当大的比重。此外,要提高源节点和目的节点间分组传输的性能,在中继节点和目的节点之间会产生额外的能耗。因此在提高分组传输性能和优化能量消耗之间需要做权衡。 另外,由于MIMO架构的电路复杂性远高于SISO架构,并且由于这一原因MIMO系统是否比SISO系统的能效更高也未可知,因此MIMO系统的能耗问题变得更为重要。 然而在无线MIMO协作网络中,特别是基于分组传输的能量消耗和能效估计方面的研究还几乎是空白。 基于上述问题,本文第一部分提出了次优中继策略(SBS-AF)来提供最大化的能效。在SBS-AF中,目的节点通过利用信道状态信息(CSI)使所有的潜在节点成为中继节点。根据信号强度,目的节点将低于某一阈值的中继节点从表单中删除,在列出所有的可能节点后,进行次优能量配置过程来在源节点和中继节点之间来分配能量。因此,基于前面提出的SBS-AF策略可以得到一个更好的能效表现,因为只有最好的CSI中继节点才被选来转发源节点的传输从而消耗最小的能量以及获得了最大的分集。 基于上述挑战,SBS-AF协作策略的能效表现被用来和固定的AF传输策略进行比较,在固定的AF传输策略中,只有一个中继节点或者所有的中继节点用于协作通信。通过这种比较可以看出,我们选择的技术与固定的AF中继策略相比,在能效方面有了巨大的提高,大约是1.461×10~4bit/J。更重要的是,此策略可以获得最大的分集增益。 基于上述结论,我们进一步将SBS-AF策略用于多个源节点同时传输的更为复杂的协作系统中。在这样的网络系统中,我们采用静态比例公平调度(SPFS)来将最佳的源节点分配给相应的中继节点。前面我们已经观察分析了SBS-AF在能效表现方面的提升。因此这里进一步将SBS-SPFS-AF和固定中继策略、SBS-AF以及SPFS-AF来进行对比。 最后在本文的第二部分,我们在分组错误率的角度对能效进行了分析,因为它在网络层次机构中的网络层中的定义使得其更容易被协议栈中的更高的层级来处理。我们提出一种只有当源节点传输失败MIMO中继才转发的中继策略。我们将其与固定的AF中继策略在能效表现方面进行了对比,结果显示我们的策略相比于其它的策略可以获得更好的能效。
【关键词】：协作分集 多输入多输出系统 多源多中继系统 比例公平调度 放大转发 能量效率 符号错误率 分组错误率
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN919.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• Table of Contents9-12
• List of Figures12-14
• List of Tables14-15
• List of Abbreviation15-16
• 1 Introduction16-31
• 1.1 Motivation16-18
• 1.2 Background and related work18-21
• 1.3 Relaying Strategies21-22
• 1.4 Multiple relay nodes22-23
• 1.5 Relay Selection Schemes23-24
• 1.6 Optimal power allocation for multiple relay24
• 1.7 Energy saving and Energy Efficiency in Cooperative Networks24-26
• 1.8 Problem formulation and Methodology26-27
• 1.9 Contributions27-29
• 1.10 Thesis outlines29-31
• 2 Fading Channels Techniques and Energy consumption in Wireless networks31-43
• 2.1 Fading channels31-34
• 2.2 Evaluating Error Over Rayleigh Fading34-35
• 2.3 Diversity35-38
• 2.4 Diversity Combining Techniques38-41
• 2.5 Energy Efficiency in wireless cooperative networks41-42
• 2.6 Chapter Summary42-43
• 3 Sub-optimal Power Allocation Best Relay Algorithm(SBS)in Multiple AntennaMIMO Relays Networks43-61
• 3.1 Background43-44
• 3.2 System Model44-47
• 3.3 The Sub-Power allocation and SBS Algorithm47-48
• 3.4 The Outage Probability,Analysis48-51
• 3.5 SER performance analysis51-52
• 3.6 Energy Efficiency Performance Analysis52-53
• 3.7 High SNR Evalutaion53-55
• 3.8 Simulation results55-60
• 3.9 Chapter summary60-61
• 4 SBS-AF in Multi-Source Multi-Relay with Multiple Antennas CooperativeNetworks61-85
• 4.1 Introduction61-63
• 4.2 System and Channel Models63-65
• 4.3 Statically Proporional Fair Scheduling Algorithm(SPF)65-66
• 4.4 Sub-optimal Power Allocation algorithm66-68
• 4.5 Outage Probability Analysis68-70
• 4.6 Symbol Error Rate Analysis70-71
• 4.7 Upper Bound approximations71-72
• 4.8 Energy Efficiency calculation72-73
• 4.9 High SNR Evaluations73-74
• 4.10 Simulation Results74-84
• 4.11 Chapter conclusion84-85
• 5 Energy Efficiency in network level of MIMO relay Networks85-97
• 5.1 Introduction85-86
• 5.2 The system model86-89
• 5.3 The PDF of CAF89-91
• 5.4 Packet Error Rate estimation91-92
• 5.5 Energy Efficiency Evaluation92-93
• 5.6 Simulation Results93-95
• 5.7 Chapter Conclusion95-97
• 6 Conclusion and Future Work97-101
• 6.1 Conclusion97-99
• 6.2 Future work99-101
• Acknowledgment101-102
• References102-114
• Appendices114-120
• Curriculum Vitae120

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