全双工无线网络中继选择与网络性能分析

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中继通信作为一种有效提高网络覆盖范围与通信质量的方法,在组网技术中占有重要作用。同时,由于全双工技术能有效提高频谱利用率及网络传输性能,已成为近年来的研究热点。如何将全双工技术与中继通信结合起来,构造更灵活、传输性能更好的无线网络备受业界关注。本文以全双工无线多跳网络为研究背景,并在此基础上对相应的网络传输性能展开分析。论文主要工作如下:首先,针对多用户多中继的全双工通信场景,考虑节点自干扰与互干扰,构建了多节点全双工无线多跳网络模型,并基于Nakagami-m衰落信道对网络中的干扰分布进行了分析。而后,就中继分别采用放大转发协议与解码转发协议的不同场景,考虑用户之间直达链路的影响,进行了中断性能分析,得出了中断概率的闭合解。并通过仿真实验分析了不同系统参数(如自干扰消除系数、信干噪比阈值、Nakagami-m参数等)对中断性能的影响。实验结果表明,提升发射功率能一定程度上改善网络中断性能,但当功率提升至20d B左右时,增加功率带来的性能改善达到饱和。其次,基于对网络的中断性能分析,以最小化网络总中断概率为目标,设计了一种最优的中继选择算法MTOP。首先,根据中断性能分析结果将网络中继选择问题转化为求解多约束线性规划;然后,基于图论知识将多约束线性规划转换为求解二部图最大带权匹配问题。最后,本文对Kuhn-Munkres算法无法对带孤点的二部图求解最大带权匹配的问题进行了优化,并用优化算法求解网络中继方案。仿真表明,较现有的其它中继选择算法而言,当增大节点发射功率对中断概率不再有改善作用时,若采用放大转发协议,MTOP算法能使网络中断性能提升约12%~14%;若采用解码转发协议,中断性能可提升约10%~17%。最后,基于MTOP算法的中继结果,分别就放大转发协议与解码转发协议的应用场景,通过一种低复杂度的泰勒近似法推导出了遍历容量的近似闭合表达式,并针对中断约束下的吞吐量展开分析。最终通过仿真实验分析了不同系统参数及中继选择算法对容量及吞吐量的影响。
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