基于单载波宽带物理层网络编码的中继策略与资源优化研究

Two way relay with physical layer network coding has recently received much attention due to its remarkable ability of increasing the network spectrum efficiency. Broadband two way relay networks normally adopt OFDM to deal with the frequency selective fading effect, but its inherent disadvantages of high peak to average ratio and high sensitivity to carrier frequency offset decrease the end-to-end transmission performance. Single carrier transmission can effectively deal with these problems in OFDM two way relay networks. In this project, we combine single carrier frequency domain equalization and physical layer network coding, and propose new relay strategies for single carrier broadband two way relay networks. We also investigate the resource allocation for optimizing the network performance, as well as the user scheduling and sub-carrier allocation in multiuser single carrier frequency division multiple access two way relay networks. We evaluate the performance and improvement of the proposed strategies and recourse allocation algorithms not only from theoretical analyses and computer simulations, but also from the implementation in real wireless relay networks developed on universal software radio peripherals.

基于物理层网络编码的双向中继技术因其能显著提升无线网络的频谱利用率而受到国内外广泛关注。宽带双向中继网络采用OFDM来对抗因传输宽带增加而产生的信道频率选择性，但是OFDM固有的信号高峰均功率比和对载波频偏高敏感度的问题也对多跳网络端到端的传输性能产生了新的不利影响。单载波宽带传输技术的引入可有效解决OFDM双向中继中的这些不足。在本项目研究中，我们将单载波宽带传输技术与物理层网络编码相结合，提出了基于单载波宽带物理层网络编码的双向中继策略。我们还将研究以最优化网络性能为目标的资源优化问题，并研究在多用户SC-FDMA 双向中继网络中的用户调度与子载波分配问题。我们将通过理论分析和计算机仿真来验证提出的中继策略和资源分配算法的有效性，并搭建基于通用软件无线电外设（USRP）的单载波宽带双向中继网络实验环境，进行实际无线通信环境下的算法测试、验证和改进。

按计划项目组主要从基于单载波宽带物理层网络编码的中继策略与资源优化这两个方面展开研究。在中继策略方面的研究中，我们提出了混合放大转发、解码转发的中继策略，使得中继节点在不能同时正确恢复两个端节点的数据的情况下仍然可以广播携带网络编码信息的信号，保证两个端节点都能获得分集增益。在采用软件无线电平台搭建单载波宽带双向中继网络的实验中，我们发现信道估计质量对传输性能有较大影响，为此，项目组着重研究了对信道估计误差具有鲁棒性的单载波频域均衡算法，并将其与宽带物理层网络编码相结合，提出了鲁棒双向中继策略。在资源分配研究方面，针对在采用局部式子信道映射方式的单载波频分多址系统中用户必须被分配连续相邻的多个子信道的约束，我们提出了一种增强型贪婪资源分配算法，在提高系统频谱利用率的同时，保证了用户间的公平性，并且具有与传统次优算法相似的计算复杂度。基于此算法，我们也研究了单载波频分多址中继系统，以及结合载波聚合的单载波频分多址系统中的资源分配算法。伴随新一代移动通信系统关键技术的讨论和演进，项目组也在单载波毫米波通信和单载波空分多址接入上进行了拓展研究。我们提出了以均衡器最小均方误差为准则的毫米波模拟波束赋形算法。我们还解决了在发射天线的各自功率约束下，以最大化最小信号干扰噪声功率比为优化目标的单载波空分多址鲁棒发射波束赋形问题。.通过对上述问题的研究，项目组在ICC，GLOBECOM，WCNC等IEEE通信学会顶级国际会议上发表了3篇会议论文，在国内外重要期刊上（包括在无线通信领域的国际顶级期刊IEEE Transactions on Wireless Communications，IEEE Communications letters）发表了8篇高质量学术论文，出版了合著书1本，申请1项国家发明专利并获得授权。此外，项目组还有1篇IEEE期刊论文在审稿中，有2篇IEEE期刊论文即将投稿。