时延受限缓冲中继系统的最优传输策略及性能研究

Transmission strategies of existing research on relay systems rarely take into account the buffers at the relays. However, recent studies have demonstrated that transmission strategies incorporating the buffer at the relay can significantly improve the system throughput, albeit the impact of delay is rarely investigated. Therefore, in this project, we will incorporate information theory, effective bandwidth, effective capacity and convex optimization for cross-layer analysis of buffer-aided relay systems under delay constraints. We will focus on the following aspects: throughput characterization, spectral efficient optimal transmission strategies, energy efficient optimal transmission schemes, and relay protocols improving the secure communications. We intend to achieve the following goals:.1) We propose a framework for the analysis of the achievable throughput of buffer-aided relay systems;.2) We design resource allocation algorithms to optimize the throughput based on the characterizations of the statistical delay constraints;.3) Based on the characterized energy efficiency and secure communications, we design transmission strategies maximizing the total energy efficiency and secrecy throughput..Through this study, we will provide new ideas and theoretical basis of the research and applications of buffer-aided relay systems.

现有中继系统传输策略的设计大多未考虑中继的缓冲，最新研究发现结合中继处缓冲的传输策略可显著提升系统吞吐量，而相关研究很少考虑到时延的影响。本项目拟结合信息论、有效带宽、有效容量及凸优化理论对时延受限缓冲中继系统进行跨层分析，针对缓冲中继系统的吞吐量、谱效最优传输策略、能效最优传输策略以及提高安全通信速率的传输策略等问题深入研究。本项目拟实现以下目标：.1）提出分析时延限制下缓冲中继系统的系统吞吐量的方法；.2）基于统计时延特性的分析，提出优化系统传输的方法，设计提高系统吞吐量的资源分配算法； .3）基于分析缓冲中继系统能效及安全通信的新方法，设计提高能效及安全通信速率的传输策略。.本项目的研究成果将为缓冲中继系统的研究与应用提供新思路及理论依据。

该项目提出了一种分析时延限制下缓冲中继系统吞吐量的新方法，并基于该方法设计提高中继系统性能的算法。具体来说，针对两跳系统，项目结合中继传输策略以及端到端的时延限制，建立了满足端到端的时延限制的不同缓冲处统计时延的折中关系，基于该折中关系，提出了一种描述缓冲中继系统吞吐量的新方法，基于该方法，找到了使得系统吞吐量最大化的工作点；针对钻石中继系统，项目结合不同的中继传输策略，如解码转发，时分传输，叠加编码，选择中继等以及端到端的时延限制，分别表示了不同策略下的系统吞吐量，并结合仿真发现选择中继相比其他中继传输策略可以达到更高的系统吞吐量；针对两跳系统安全通信，项目考虑中继链路选择策略以及功率分配方案，建立了可实现最大化系统安全吞吐量的联合链路选择及功率分配策略，通过与现有的传输方案对比发现可提升100%以上的吞吐量；针对传输端没有信道状态信息的多中继系统，项目提出了结合混合自动重传技术（HARQ）的传输方案，并分析了系统可实现的最大吞吐量，并与现有的传输方案比较，发现在某些情况下，没有传输端信道状态信息并不会对系统性能造成影响。此外，项目还取得了其他若干相关创新性和进展性工作成果，比如时延限制下能量获取多址接入通信的最优传输策略设计、码长有限通信的吞吐量表示及性能分析等，为下一步科研工作的展开奠定了基础。报告正文将简要说明代表性成果，并以两个示例详细说明所提的方法和算法设计。该项目共发表论文22篇，其中SCI检索国际期刊论文11篇。项目负责人于2017年获IEEE通信学会绿色通信与计算专委会最佳期刊论文奖。