本文關(guān)鍵詞：協(xié)作中繼通信系統(tǒng)中的資源分配及物理層網(wǎng)絡(luò)編碼問題研究　出處：《東南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：在LTE-B (Long Term Evolution Rel.12)以及未來5G (5th Generation Mobile Networks)網(wǎng)絡(luò)中,如何擴展基站的覆蓋范圍對通信行業(yè)來說始終是一個研究熱點。協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)可以有效擴大無線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍,提高無線鏈路的通信質(zhì)量,被認(rèn)為是5G移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。隨著微蜂窩甚至微微蜂窩在5G網(wǎng)絡(luò)中的部署應(yīng)用,小區(qū)范圍不斷縮小,中繼節(jié)點發(fā)射功率小、部署靈活等特點使得其非常適合于5G網(wǎng)絡(luò)。因此,在未來5G網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)作中繼技術(shù)將會起到舉足輕重的作用。當(dāng)前協(xié)作中繼技術(shù)研究主要以系統(tǒng)容量最大化為優(yōu)化目標(biāo),而針對網(wǎng)絡(luò)能量效率來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和資源分配算法的相關(guān)研究尚未深入。在考慮網(wǎng)絡(luò)整體能效最大化的同時,用戶可能要犧牲自己的利益,此時必須兼顧網(wǎng)絡(luò)性能和自私用戶的公平性,而多目標(biāo)優(yōu)化和博弈論是解決自私用戶協(xié)作行為的有效工具。本文將在保障QoS (Quality of Service)的前提下,運用多目標(biāo)優(yōu)化及博弈論等數(shù)學(xué)方法,深入開展協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法及物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical Network Coding,PNC)問題的研究。針對非對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的功率分配問題,本文通過引入多目標(biāo)進(jìn)化算法,提出了一種多源多中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)作功率分配策略。首先,將單目標(biāo)自由搜索算法拓展到多目標(biāo)優(yōu)化領(lǐng)域,提出了多目標(biāo)自由搜索算法(Multi-Objective Free Search, MOFS),并通過性能分析及數(shù)值實驗驗證了該算法對多目標(biāo)優(yōu)化問題的有效性；其次,以最大化各源節(jié)點的有效接收信噪比為目標(biāo),設(shè)計了適用于多目標(biāo)自由搜索算法的效用函數(shù)和編碼方案,在中繼功率受限的條件下,通過MOFS算法,實現(xiàn)了協(xié)作中繼功率資源的有效分配：最后,仿真實驗結(jié)果驗證了所提出策略的有效性。同時,該功率分配策略還可根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求,通過合理選擇Pareto最優(yōu)解(Pareto Optimality),以得到不同的優(yōu)化配置方案,提高了網(wǎng)絡(luò)的適用性。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼理論的提出為協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步提高傳輸容量提供了新的思路。本文針對雙向協(xié)作中繼信道場景,研究了基于Lattice編碼(Lattice Coding)的計算轉(zhuǎn)發(fā)(Compute and forward,CPF)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案,以計算速率最大化為目標(biāo),提出了一種有效的雙向協(xié)作中繼信道計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索算法。針對雙向協(xié)作中繼信道中計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼工作方式的特點,將中繼節(jié)點的編碼系數(shù)向量優(yōu)化問題建模為帶有二次約束的整數(shù)二次規(guī)劃模型；針對該優(yōu)化問題的特點提出了一種提升凸松弛割平面法,該搜索算法通過提升、凸松弛、生成割平面等步驟將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為較易求解的新松弛規(guī)劃問題,通過對松弛規(guī)劃問題的求解能有效獲取原問題的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明,本文所提出算法能有效獲取中繼節(jié)點的最優(yōu)編碼系數(shù)向量。在雙向協(xié)作中繼信道計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案的基礎(chǔ)上,本文繼續(xù)深入研究了上行多址接入?yún)f(xié)作中繼信道(Multiple Access Relay Channel, MARC)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案,從多目標(biāo)優(yōu)化的角度出發(fā),提出了一種MARC計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案的中繼節(jié)點選擇及系數(shù)向量搜索策略。在MOFS算法的基礎(chǔ)上對搜索策略進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種混合整數(shù)MOFS算法,并通過標(biāo)準(zhǔn)多目標(biāo)旅行商問題(Multi-Objective Travelling Salesman Problem, MOTSP)驗證了該算法的有效性；針對中繼節(jié)點過剩的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)場景,通過對所有可能參與協(xié)作的中繼節(jié)點進(jìn)行綜合考慮,從系統(tǒng)級的角度對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行整體優(yōu)化,提出了一種基于混合整數(shù)MOFS的中繼節(jié)點選擇及編碼系數(shù)向量搜索策略,在保障所選取的中繼節(jié)點系數(shù)向量矩陣滿秩的前提下,以最大化最小計算速率和最大化網(wǎng)絡(luò)和速率為優(yōu)化目標(biāo),尋優(yōu)結(jié)果同時實現(xiàn)了中繼節(jié)點的選擇及計算轉(zhuǎn)發(fā)編碼最優(yōu)系數(shù)向量的搜索。仿真結(jié)果驗證了所提出算法的有效性。關(guān)于協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配的已有研究成果大多是針對非對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)。本文針對對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點自私特性,提出了一種基于非協(xié)作博弈論的帶寬資源分配算法。以非協(xié)作博弈論為工具,建立了一種帶有競價機制的對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)博弈模型(Symmetric Cooperative Relay Game, SCRG),通過建立有效的激勵機制,使得自私節(jié)點能通過協(xié)作資源的共享而獲得公平的回報,從而積極參與協(xié)作傳輸；引入分布式納什均衡(Nash Equilibrium, NE)搜索算法,通過理論推導(dǎo)給出了該分布式算法的收斂條件。仿真結(jié)果表明,本文所提出的博弈方法,可以合理有效地解決對稱協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作帶寬分配問題。
[Abstract]:In the LTE-B (Long Term Evolution Rel.12) and 5G (5th Generation Mobile future Networks) in the network, how to expand the coverage of the base station is always a hotspot in the communications industry. Cooperative relay network can effectively expand the coverage of the wireless communication system, to improve the communication quality of the wireless link, is considered one of the core technology of 5G the mobile communication system. With the application of micro cellular picocell deployment and 5G network in the residential area is reducing, the relay nodes transmit power is small, flexible deployment features make it very suitable for 5G network. Therefore, in the future 5G network, cooperative relay technology will play a decisive role in the cooperative relay. The main technical research to the system capacity as an optimal target, and related research for energy efficiency of the network to design the network architecture and resource allocation algorithm is No further. In considering the whole network to maximize energy efficiency at the same time, the user may have to sacrifice their own interests, fairness at this time must take into account the network performance and the user, and the multi-objective optimization and game theory is an effective tool to solve the selfish user collaboration behavior. This paper will support QoS (Quality of Service) under the premise. The application of multi-objective optimization and game theory and other mathematical methods, carry out the cooperative relay network resource allocation algorithm and physical layer network encoding (Physical Network Coding, PNC). Research on power allocation asymmetric cooperative relay network problems, through the introduction of multi-objective evolutionary algorithm, proposed a multi relay network collaboration the power allocation strategy. Firstly, the single target free search algorithm is extended to the field of multi-objective optimization, the proposed multi-objective free search algorithm (Multi-Objective Free Search, MOFS) Then, the algorithm of multi-objective optimization is verified by performance analysis and numerical experiment; secondly, to maximize the source node effective SNR as the target, the design is applied to the free search function and encoding algorithm, the relay power constrained conditions by MOFS algorithm, realize the effective allocation of cooperative relay power resource. Finally, simulation results verify the effectiveness of the proposed strategy. At the same time, the power allocation strategy can also according to different business needs, through the reasonable choice of the optimal solution of Pareto (Pareto Optimality), in order to get the optimization of different configuration, improve the applicability of the network the proposed physical layer network encoding theory for cooperative relay network to further improve the transmission capacity. This paper provides a new way for two-way cooperative relay channel scene based on Lattice (Lattice Coding) encoding calculation (Compute and forward, CPF forwarding) physical layer network encoding scheme to calculate the rate maximization as the goal, proposed a two-way cooperative relay channel effectively computes transmission coefficient vector encoding search algorithm. Based on bidirectional cooperative relay channel encoding mode calculation of forwarding, the relay node the coefficient vector encoding optimization modeling for two times with two times the integer constraint programming model; according to the characteristics of the optimization problem is proposed for improving the convex relaxation cutting plane method, the search algorithm through ascension, convex relaxation, generating cutting plane steps such as the original optimization problem is transformed into a new relaxation planning problem is easy to solve the optimal relaxation by solving programming problems can effectively obtain the optimal solution of the original problem. The simulation results show that the proposed algorithm can effectively obtain the optimal encoding of relay nodes The coefficient vector in two-way relay channel cooperation. Based on the calculation of forward encoding scheme, in-depth study of the uplink multiple access relay channel (Multiple Access Relay Channel to the MARC, the physical layer network) encoding scheme, starting from the angle of multi-objective optimization, proposed relay selection and the coefficient vector of a MARC forward calculation encoding scheme search strategy. Based on the MOFS algorithm of search strategy is improved, we propose a mixed integer MOFS algorithm, and through a standard multi-objective traveling salesman problem (Multi-Objective Travelling Salesman Problem, MOTSP) to verify the effectiveness of the algorithm; the cooperative relay network scene relay node through excess. Comprehensive consideration of all possible cooperative relay nodes, optimization of the overall performance of the network from the viewpoint of system level, is proposed based on The relay node selection and coefficient vector encoding MOFS mixed integer searching strategy is selected in the relay node security coefficient vector matrix of full rank under the premise, to maximize the minimum and maximum network computing rate and rate as the optimization objective, the optimization result and realize the relay node selection and calculation of the optimal coefficient vector encoding forwarding the search. The simulation results verify the effectiveness of the proposed algorithm. The existing research results on cooperative relay network resources allocation is mostly based on the asymmetric cooperative relay network. The node for symmetric cooperative relay networks with selfish characteristics, proposes a bandwidth allocation algorithm for non cooperative game theory based on the non cooperative game theory. As a tool to establish a cooperative bidding mechanism with symmetrical relay network game model (Symmetric Cooperative Relay Game, SCRG), through the establishment of effective The incentive mechanism, the selfish nodes can get a fair return through the collaborative sharing of resources, and actively participate in the introduction of distributed cooperative transmission; Nash equilibrium (Nash Equilibrium, NE) search algorithm is given by theoretical derivation of the convergence of a distributed algorithm. The simulation results show that the method proposed in this paper, the game, cooperative bandwidth the distribution can solve the symmetric cooperative relay network reasonably and effectively.

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5

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