无线协作中继系统中的高能效双向中继技术研究

Two-way relay transmission as a special scheme of cooperative relaying has demonstrated outstanding advantages on the performance of spectrum efficiency in wireless communications. However, investigation of highly energy-efficient two-way relay transmission has not received very much attention until recently. By taking both the signal transmission and circuit power consumptions as well as the system signaling and channel estimation overheads into consideration, this project conducts a thorough study of highly energy-efficient two-way relay transmission technologies with an emphasis on imperfect channel state information based on the theory of cooperative diversity and using the tool of optimization. It includes 1) study of energy-efficient resource allocation for the OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) based two-way relay systems; 2) design of energy-efficient relay selection and relay location; 3) joint optimum design of highly energy-efficient resource allocation and relay selection. Our main goal is to explore the optimal tradeoff between the spectrum efficiency and the energy efficiency for the considered two-way relay system. We do believe that this study will provide significant technical supports for our intellectual understanding and R&D capability in next generation wireless communication systems.

双向中继作为一种特殊的协作中继机制，在提高无线通信频谱利用率方面已展现出突出的优势。然而，双向中继在能量利用率方面是否依然具有优势，仍然需要进一步研究。目前，对于高能效双向中继技术的研究尚处在起步阶段，有许多问题亟待解决。本项目将以协作中继系统为应用背景，以能量利用率为考核指标，以非理想信道状态信息为条件，采用多用户协作和最优化两个重要技术手段，从空—时—频三个维度，综合考虑信号传输和系统电路的能耗以及信令和信道估计的开销，探索可以显著提高双向中继系统能量利用率的技术和方法，包括双向协作中继资源分配和高能效的双向中继选择与中继位置选择以及高能效的资源分配和中继选择的联合实现，并进一步探索双向中继系统中的能量利用率和频谱利用率的最佳折中方案。相信该研究在新一代无线通信系统中将具有重要的意义。

本研究以协作中继系统为背景，以能量利用率为主要考核指标，采用多用户协作和最优化两个重要技术手段，探索可以提高双向中继网络传输性能的方法和技术。在此基础上，探索具有物理层安全保障的协作中继传输方案，为下一代无线通信提供理论与技术支持。. 本研究的主要工作和贡献如下：. (1) 针放大转发双向中继系统，研究系统节点的最优功率分配技术。首先，研究在系统服务质量和节点峰值发射功率均受限情况下的高能效功率分配算法，目的是最小化系统发射功率。通过分别利用统计和瞬时信道信息，提出两种功率分配算法。. (2) 针对基于正交频分复用调制的放大转发双向中继系统，研究节点功率控制和子载波比特分配的联合实现，以最小化系统发射功率。首先，研究单载波调制情况下的功率分配问题。接着，在单载波最优功率分配的基础上研究源节点目标速率在多载波上的分配问题。最后，提出一种功率分配和比特分配的联合实现算法。. (3) 针放大转发双向中继系统，考虑系统中两个源节点目标速率具有不对称性的情况，利用系统业务知识和统计信道状态信息，提出一种最佳中继部署方法，以使系统总发射功率最小化。. (4) 针放大转发双向中继系统，考虑源节点目标速率不对称情况，研究中继选择与资源分配的联合实现。首先，考虑单中继情况，给出了最小化系统发射功率的功率分配算法。在此基础上，提出了两种最佳中继选择算法，来进一步减小系统发射功率。最终，提出了一种高能效的中继选择和功率分配的联合实现算法。. (5) 针对认知中继网络中的主次用户协作问题，提出了一种能够同时保障主用户通信质量和提高次用户通信机会的认知双向中继传输协议，给出了主次用户之间的时隙资源分配方案、次用户的可行区域以及能够获得的遍历容量。. (6) 针对两源单中继和窃听节点模型下的安全传输问题，在不影响合法用户接收性能条件下，根据源、中继及目的节点发送干扰方式的不同，设计了一种基于源与中继协作干扰和基于中继和目的协作干扰的混合传输机制。