【摘要】：隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的廣泛普及,無線設備以及相關(guān)的應用大幅增加,無線頻譜的巨大需求與有限的頻譜資源之間的矛盾變得愈發(fā)突出。應運而生的認知無線電技術(shù)以期使動態(tài)頻譜接入的設想成為可能,通過提升頻譜有效性,來滿足增長的頻譜需求。在認知無線電網(wǎng)絡中,次級用戶可以在不損害初級用戶通信的前提下,使用授權(quán)頻譜進行通信,從而提升頻譜利用率。為了充分利用授權(quán)頻譜,次級用戶需要進行頻譜感知、頻譜分析、頻譜切換等操作,這些操作及相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸將極大消耗能量。因此,如何有效的提升能量有效性,成為認知無線電網(wǎng)絡亟待解決的問題之一。能量收集技術(shù)從周邊能量源收集能量為通信設備供電,具有無污染、潛在可以利用的能量無限制等優(yōu)點,被視為提升通信網(wǎng)絡能量有效性的有效技術(shù)之一。因此,將能量收集技術(shù)與認知無線電技術(shù)進行結(jié)合,衍生出具有能量收集能力的認知無線電網(wǎng)絡,可兼顧頻譜有效性和能量有效性,成為目前國內(nèi)外學術(shù)界研究的熱點問題之一。關(guān)于能量收集技術(shù)的資源管理方案雖已取得一定進展,但是大多數(shù)針對于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡。由于認知無線電網(wǎng)絡具有頻譜感知、頻譜分析、頻譜切換等獨有功能,已有的能量收集資源管理方案在認知無線電網(wǎng)絡中性能較差或不再適用。此外,已有的考慮能量收集技術(shù)的資源規(guī)劃方案主要關(guān)注于靜態(tài)網(wǎng)絡,對于系統(tǒng)狀態(tài)(包括信道狀態(tài)、能量收集狀態(tài)等)動態(tài)變化的認知無線電網(wǎng)絡中資源的規(guī)劃問題,目前研究較少。本文針對上述內(nèi)容,對能量收集認知無線電網(wǎng)絡中的資源管理問題進行了深入詳細的研究,主要內(nèi)容包括:1.針對能量收集與數(shù)據(jù)傳輸順序進行的認知無線電網(wǎng)絡,研究了能量收集時間和傳輸功率的聯(lián)合優(yōu)化問題。提出了根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)調(diào)整能量收集時間以及傳輸功率的最優(yōu)策略。此外提出了一種次優(yōu)策略,并推導出次優(yōu)策略與網(wǎng)絡參數(shù)間的閉合表達式。具體而言:1)綜合考慮信道狀態(tài)的多樣性、授權(quán)頻譜的可用性、以及感知錯誤的存在性,推導出由信道狀態(tài)與可用能量構(gòu)成的系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)變化方程,構(gòu)建表明長期吞吐量的價值函數(shù);2)提出最優(yōu)策略,該最優(yōu)策略可根據(jù)當前的系統(tǒng)狀態(tài),分別指定能量收集時間及傳輸功率;3)證明出存在一個由電池容量決定的門限值,當可用能量小于該門限值時,最佳長期吞吐量隨可用能量的增加單調(diào)遞增;4)介紹了一種次優(yōu)策略。證明出次優(yōu)策略與網(wǎng)絡參數(shù)間的閉合表達式,大幅降低得到次優(yōu)策略的計算消耗。2.針對采用周期性頻譜感知的認知無線電網(wǎng)絡,認識到信道感知以消耗時間資源與能量資源為代價換取感知準確性的提升,以及傳輸功率的合理設置對于提升系統(tǒng)表現(xiàn)的重要作用,提出了面向長期中斷概率最小化的優(yōu)化信道感知時間和傳輸功率的最優(yōu)策略,以及復雜度較低的次優(yōu)策略。具體來說:1)綜合考慮信道狀態(tài)、可用能量以及動態(tài)變化的能量收集過程,對動態(tài)系統(tǒng)進行建模,設計出表明長期中斷概率的價值函數(shù);2)提出根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài),動態(tài)調(diào)整感知時間及傳輸功率,從而最小化長期中斷概率的最優(yōu)策略。證明出最優(yōu)的長期中斷概率隨著可用能量單調(diào)遞減;3)提出算法復雜度較低的次優(yōu)策略。該次優(yōu)策略的表現(xiàn)隨著次級用戶接收信號信噪比的增加逐漸趨近于最優(yōu)策略,并最終表現(xiàn)相同。3.針對周期性頻譜感知的認知無線電網(wǎng)絡,對通過聯(lián)合優(yōu)化信道感知時間和傳輸功率,從而最大化長期吞吐量的問題,進行了分析。提出了使長期吞吐量最大化的最優(yōu)策略。證明出在接收到初級用戶信號信噪比足夠高時,最優(yōu)傳輸功率隨可用能量單調(diào)遞增。此外,提出了一種低復雜度的次優(yōu)策略。具體來說:1)對動態(tài)系統(tǒng)進行建模,設計出表明長期吞吐量的價值函數(shù);2)提出了根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài),動態(tài)決定感知時間及傳輸功率,從而使系統(tǒng)長期吞吐量最大化的最優(yōu)策略;3)理論上證明出當次級用戶接收到的初級用戶信號的信噪比足夠高時,最佳傳輸功率與可用能量之間單調(diào)性相關(guān)。提出了低復雜度的次優(yōu)策略。該次優(yōu)策略的表現(xiàn)在接收到初級用戶信號信噪比足夠高時,與最優(yōu)策略的表現(xiàn)相當。4.針對采用按需進行頻譜感知的認知無線電網(wǎng)絡,研究了頻譜感知決策與傳輸功率動態(tài)分配的資源優(yōu)化問題。提出動態(tài)做出頻譜感知決策,以及確定相應傳輸功率的最優(yōu)資源管理策略。此外,提出一種次優(yōu)策略,理論證明出該次優(yōu)策略的感知決策與可用能量之間存在門限效應。具體來說:1)綜合考慮由信道狀態(tài)、能量收集狀態(tài),以及當前可用能量組成的系統(tǒng)狀態(tài),推導出不同感知決策以及傳輸功率下系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布,對動態(tài)系統(tǒng)進行建模,設計出表示長期吞吐量的價值函數(shù);2)提出最優(yōu)頻譜接入策略。該策略根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài),動態(tài)決定是否接入頻譜進行頻譜感知,以及相應傳輸功率;3)設計出次優(yōu)策略。證明出次優(yōu)策略的頻譜感知決策與可用能量之間存在門限效應。提出獲得次優(yōu)策略的有效算法。
【圖文】：

本文中所研究內(nèi)容也主要針對交織式認知無線電網(wǎng)絡。逡逑在交織式認知無線電網(wǎng)絡中，為了有效的利用空閑頻譜，頻譜管理過程主要逡逑包含四個功能模塊［１１］［１２］，如圖１所示，分別為頻譜感知及監(jiān)測、頻譜分析、頻譜逡逑決策、和頻譜移動。下面分別對上述四個功能模塊進行闡述：逡逑（１）頻譜感知及監(jiān)測［１３］［１４］邋（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋Ｓｅｎｓｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）：通過頻譜感逡逑知，次級用戶能夠檢測出當前未被初級用戶使用的頻譜資源，稱之為頻譜空穴逡逑（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋Ｈｏｌｅｓ，ＳＰ），并利用頻譜空穴進行數(shù)據(jù)傳輸。如果次級用戶己經(jīng)利用逡逑頻譜空穴進行數(shù)據(jù)傳輸，則該頻譜空穴將被實時監(jiān)測以確定原始的初級用戶是否逡逑出現(xiàn)使用該授權(quán)頻譜。目前，，頻譜感知技術(shù)通常分為兩種［１５＼邋—種為周期式逡逑（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ）頻譜感知心１８］，另一種為按需式（Ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ）頻譜感知［１９＿２１］。周期逡逑式頻譜感知是指次級用戶間隔相同的時間、周期性的對頻譜使用狀況進行感知。逡逑這種方式可以持續(xù)性的尋找和跟蹤頻譜空穴。此外，周期式感知的結(jié)果還可以用逡逑２逡逑

圖２認知無線電網(wǎng)絡資源管理總結(jié)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２邋Ｓｕｍｍａｒｙ邋ｏｆ邋ＣＲ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ逡逑１．４研究意義及創(chuàng)新點逡逑采用能量收集技術(shù)的認知無線電網(wǎng)絡雖然能夠同時提升頻譜和能量的有效逡逑性，但由于能量收集技術(shù)從周圍環(huán)境中收集到的能量具有動態(tài)性、時變性、隨機逡逑性等特點，因此也對認知無線電網(wǎng)絡的資源管理技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。在本節(jié)，逡逑我們將介紹本論文的主要研宄內(nèi)容及創(chuàng)新點。逡逑在應用了能量收集技術(shù)的認知無線電網(wǎng)絡中，與傳統(tǒng)的電池供電或電網(wǎng)供電逡逑的認知無線電網(wǎng)絡最大的不同，是收集到的能量具有動態(tài)性、時變性、隨機性等逡逑特點。而傳統(tǒng)的資源管理方案均在確定性的能量供給的基礎上進行研究，這使得逡逑己有的資源管理方案在能量收集認知無線電網(wǎng)絡中表現(xiàn)較差或者不再適用，資源逡逑管理問題需要重新進行考慮［６９］。同時，目前在能量收集認知無線電網(wǎng)絡中提出的逡逑
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN925

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 徐帆;徐細波;劉佳;;軍事領(lǐng)域認知無線電的應用探討[J];中國新通信;2017年06期

2 鐘宜潔;;基于博弈論的認知無線電頻譜分配技術(shù)探討[J];通訊世界;2017年09期

3 武曉波;;認知無線電關(guān)鍵技術(shù)及其在煤礦通信中的應用研究[J];通訊世界;2017年17期

4 汪瑞;;認知無線電技術(shù)在廣播電視監(jiān)測行業(yè)的應用[J];中國有線電視;2016年05期

5 錢小森;;認知無線電技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展[J];科技傳播;2016年12期

6 馬娟;;淺析軍事通信應用認知無線電技術(shù)效果研究[J];無線互聯(lián)科技;2016年16期

7 沈濤;;認知無線電網(wǎng)絡:從理論到實踐[J];通信對抗;2013年02期

8 張峰;;軍事通信應用認知無線電技術(shù)效果探討[J];通訊世界;2015年18期

9 郎為民;陳凱;蔡理金;;認知無線電網(wǎng)絡研究[J];電信快報;2014年01期

10 桂波;;認知無線電關(guān)鍵技術(shù)在煤礦通信中的應用[J];煤炭技術(shù);2014年02期

相關(guān)會議論文 前10條

1 饒毓;曹志剛;;認知無線電技術(shù)的標準化進程[A];2009年全國無線電應用與管理學術(shù)會議論文集[C];2009年

2 李俊葶;陳金鷹;劉慶豐;徐廣偉;;淺談認知無線電[A];四川省通信學會2008年學術(shù)年會論文集[C];2008年

3 劉曉雪;鄭寶玉;季薇;;認知無線電網(wǎng)絡中的一種協(xié)作分集機制[A];2010年通信理論與信號處理學術(shù)年會論文集[C];2010年

4 趙濱;馬鍇;關(guān)新平;;區(qū)分信道的認知無線電網(wǎng)絡頻譜分配算法研究[A];第二十九屆中國控制會議論文集[C];2010年

5 李雷;鄭寶玉;崔景伍;;一種改進的認知無線電網(wǎng)絡用定向L型天線[A];2010年通信理論與信號處理學術(shù)年會論文集[C];2010年

6 蘇胤杰;蔣鈴鴿;何晨;;基于協(xié)作通信的認知無線電中繼有效位置分析[A];2010年通信理論與信號處理學術(shù)年會論文集[C];2010年

7 李妍琳;康寧;刁寅亮;高攸綱;石丹;;認知無線電系統(tǒng)中頻點門限的擴展討論[A];第二十屆全國電磁兼容學術(shù)會議論文集[C];2010年

8 黃勇;任智;陳前斌;李晴陽;;基于OPNET的認知無線電網(wǎng)絡傳輸速率切換仿真研究[A];2009年全國無線電應用與管理學術(shù)會議論文集[C];2009年

9 張龍立;;在寬帶無線通信系統(tǒng)中應用的認知無線電技術(shù)[A];科技研究——2015科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展與建設成就研討會論文集（上）[C];2015年

10 賈敏;陳子研;郭慶;顧學邁;;基于USRP的認知高效頻譜利用實現(xiàn)技術(shù)[A];第十九屆中國科協(xié)年會——分9“互聯(lián)網(wǎng)+”：傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)變革新動能論壇論文集[C];2017年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 黑龍江 王宇宙 編譯;認知無線電發(fā)展綜述[N];電子報;2012年

2 本報記者 盧子月;認知無線電讓網(wǎng)絡不再擁擠[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2011年

3 常麗君;避堵走閑，美開發(fā)認知無線電上網(wǎng)系統(tǒng)[N];科技日報;2014年

4 北京郵電大學WSPN實驗室 雷光;認知無線電技術(shù)[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2007年

5 ;認知無線電：未來無線通信的重要發(fā)展方向[N];人民郵電;2007年

6 本報記者　鄭煥斌;未來通訊 看我獨霸[N];科技日報;2006年

7 江蘇泰州市無線電管理辦公室 劉瀏 竇沛沛;認知無線電整合“閑散”頻譜[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2009年

8 四川 楊遠清 編譯;可檢測空閑頻帶的認知無線電接收器[N];電子報;2013年

9 特約撰稿人 吳康迪;日本4G路線明晰 “催熟”新技術(shù)[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2009年

10 上海無線電監(jiān)測站 李春燕;動態(tài)頻譜管理技術(shù)：從認知無線電到人工智能[N];中國電子報;2017年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 張帆;能量收集認知無線電網(wǎng)絡中資源管理技術(shù)研究[D];北京交通大學;2018年

2 陸川;基于認知無線電技術(shù)的網(wǎng)絡資源優(yōu)化理論及應用的研究[D];廣東工業(yè)大學;2018年

3 秦勉;認知無線電系統(tǒng)中物理層安全傳輸方法研究[D];鄭州大學;2018年

4 羅俊;認知無線電中基于多天線的信號處理技術(shù)的研究[D];華中師范大學;2017年

5 周福輝;綠色認知無線電資源分配技術(shù)研究[D];西安電子科技大學;2016年

6 朱江;認知無線電系統(tǒng)中自適應跨層優(yōu)化機制的研究[D];電子科技大學;2009年

7 李紅寧;認知無線電網(wǎng)絡安全與隱私保護技術(shù)研究[D];西安電子科技大學;2014年

8 馬釗;基于模糊綜合評判的認知無線電系統(tǒng)安全態(tài)勢評估方法研究[D];中國地質(zhì)大學;2017年

9 姜文浩;認知無線電網(wǎng)絡資源分配策略研究[D];重慶大學;2016年

10 王亮;譜效和能效優(yōu)化的認知無線電網(wǎng)絡資源分配技術(shù)[D];西安電子科技大學;2015年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 侯慶輝;多授權(quán)認知無線電網(wǎng)絡的網(wǎng)絡選擇方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

2 鐘靜;認知無線電網(wǎng)絡中基于效用的頻譜共享策略研究[D];湖南大學;2017年

3 周文韜;基于GNU Radio和USRP的認知無線電系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D];湖南大學;2017年

4 彭志輝;認知無線電的分布式頻譜共享與廣播算法研究[D];電子科技大學;2018年

5 楊晗;認知無線電中關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];電子科技大學;2018年

6 李璇;認知無線電下協(xié)作通信技術(shù)研究[D];北京郵電大學;2018年

7 賈健;基于認知無線電緩存輔助中繼的物理層安全研究[D];北京郵電大學;2018年

8 令狐王丹;ISM頻段認知無線電的自話應接入[D];北京郵電大學;2018年

9 梁寶彬;認知無線電系統(tǒng)中頻譜共享與功率分配技術(shù)的研究[D];北京郵電大學;2018年

10 周舢;認知無線電網(wǎng)絡中的資源分配方法研究[D];天津理工大學;2018年

本文編號：2709836