Bachelor's Thesis (Wenbing Dang)

SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR论文题目：多跳OFDMA网络的动态资源分配学生姓名:党文冰学生学号:5050309056专业:信息工程指导教师:陶梅霞学院(系):电子工程系多跳OFMDA网络的动态资源分配多跳OFDMA网络的动态资源分配摘要动态的资源分配是当前中继网络性能优化中的焦点问题。本文研究了多跳正交分频复用/正交频分多址(OFDM/OFDMA)系统中以下资源的联合分配：子载波、功率、以及传输节点（源节点或中继节点）。我们的优化目标为在节点功率受限下的系统传输速率（或速率的加权和）。具体而言，本文考虑了两种网络模型：两跳多中继OFDM网络，以及两跳OFDMA网络。对于前者，我们分别在放大转发（AF）以及解码转发（DF）中继协议下提出对于子载波、中继、以及功率的联合最优分配算法。经仿真证明，我们的联合最优算法比现有方案有明显的性能改善。对于后一种网络模型，我们首先考虑了传统的正交资源分配(ORA)的情形，即为避免用户干扰，在同一时刻每一个子载波只能被一个用户占用。随着硬件信号处理功能的增强，我们可以利用连续译码技术在同频段对多路信号进行译码。受此启发，我们提出了在多跳OFDMA网络中非正交的资源分配(NORA)方案，它允许多个用户同时占用一个子载波通信。NORA方案是对上述网络资源分配的一个突破，并能够进一步开发多用户的多样性。在AF和DF协议下，我们得到了联合分配各子载波上的功率和译码顺序的NORA算法。仿真结果表明在DF协议下，NORA算法明显优于ORA算法。关键词：OFDM/OFDMA，子载波匹配，功率分配，中继选择，非正交资源分配，连续译码，译码顺序。多跳OFMDA网络的动态资源分配ADAPTIVERESOURCEALLOCATIONINOFDMAMULTI-HOPNETWORKABSTRACTAdaptiveresourceallocationiscurrentlyacrucialissueforperformanceoptimizationinrelaynetworks.Inthisthesis,weinvestigatethejointallocationofthefollowingresourcesinmulti-hopOrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing/Multiple-Access(OFDM/OFDMA)systems:subcarrier,power,andtransmitnodes(sourceorrelaynodes,fordifferentsystemsetups).Specifically,weconsiderthefollowingtwonetworkmodels:atwo-hopmulti-relayOFDMnetwork,andatwo-hopOFDMAnetwork.Fortheformernetworkmodelweproposeajointoptimalallocationofsubcarriers,relays,andpowerundertheAmplify-and-Forward(AF)protocol,andDecode-and-Forward(DF)protocolrespectively.Ourjointoptimalalgorithmisshowedinsimulationstoprovidenotableimprovementofinspectralefficiencythanexistingschemes.Forthelatternetworkmodel,wefirstconsiderthetraditionalorthogonalresourceallocation(ORA)scenariosuchthateachsubcarriercanbeoccupiedbyonlyonesourceconcurrently,toavoidtheinte-ruserinterference.Furthermore,sincetheenhancementofhardware’ssignalprocessingcapability,thetechnologyofsuccessivedecodingcanbeappliedtodecodesignalsfromdifferentusersatthesamefrequency.Motivatedbythis,weproposedanon-orthogonalresourceallocationscheme(NORA)formulti-hopOFDMAnetworks,whichpermitsdifferentuserstooccupythesamesubcarrierconcurrently.TheNORAschemeisabreakthoughintheresourceallocationsforsuchanetwork,andhelpsfurtherexploitthemulti-userdiversity.ForboththeAFandDFprotocol,wederivedtheNORAalgorithmswhichjointlyallocatethepoweranddecodingorderovereachsubcarrier.ThesimulationresultsshowedthatunderDFcase,theNORAschemeoutperformstheORAschemesignificantly,intermsofweightedsumrateofthesystem.Keywords:OFDM/OFDMA,subcarrierpairing,powerallocation,relayselection,non-orthogonalresourceallocation,successivedecoding,decodingorder多跳OFMDA网络的动态资源分配目录第一章绪论----------------------------------------------------------------------------------------------------11.1中继网络概述----------------------------------------------------------------------------------------11.2OFDM/OFDMA多跳网络的资源分配-----------------------------------------------------------21.2.1OFDM/OFDMA多跳网络资源分配的意义与挑战-------------------------------------21.2.1研究工作的发展背景------------------------------------------------------------------------21.3本文的主要研究工作及其贡献-----------------------------------------------------------------31.3.1对于多中继两跳OFDM网络的研究-----------------------------------------------------31.3.1.1已有成果的启示-----------------------------------------------------------------------31.3.1.2本项工作的主要贡献-----------------------------------------------------------------41.3.2对于两跳OFDMA网络的研究------------------------------------------------------------51.4一些预备的数学知识-------------------------------------------------------------------------------51.4.1凸优化及其对偶理论简述------------------------------------------------------------------51.4.2次梯度算法------------------------------------------------------------------------------------61.4.3对偶分解方法---------------------------------------------------------------------------------6第二章多个中继的两跳OFDM网络资源分配的联合优化------------------------------------------82.1AF协议下的联合资源分配-------------------------------------------------------------------------82.1.1提出的优化问题------------------------------------------------------------------------------82.1.2联合优化算法的步骤------------------------------------------------------------------------92.1.2.1计算对偶函数-------------------------------------------------------------------------102.1.2.2在给定的对偶点计算最优原变量-------------------------------------------------102.1.2.3功率分配的修正----------------------------------------------------------------------132.1.3一些次优算法------------------------------------------------------------------------------142.1.3.1次优算法一：基于均等功率分配（EPA）的子载波分配和中继指派---------142.1.3.2次优算法二：固定的子载波分配--------------------------------------------------152.2DF协议下的联合资源分配-----------------------------------------------------------------------152.2.1提出的优化问题------------------------------------------------------------------------------152.2.2联合优化算法的步骤----------------------------------------------------------------------162.2.2.1对原问题进行变换-------------------------------------------------------------------162.2.2.2从子载波到中继的指派以及功率分配的结果----------------------------------162.3仿真结果---------------------------------------