本文關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電動態(tài)頻譜接入關(guān)鍵技術(shù)研究　出處：《電子科技大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著無線通信需求的日益增長,頻譜資源缺乏的問題越來越嚴(yán)重。然而,現(xiàn)有的固定頻譜分配政策卻無法充分利用有限的頻譜資源。為了解決無線通信對頻譜資源的需求不斷增加和部分頻譜資源利用率低下的矛盾,研究者提出了認(rèn)知無線電的概念。認(rèn)知無線電要求認(rèn)知用戶在不對擁有頻譜授權(quán)的主用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下,接入主用戶系統(tǒng)空閑的頻譜資源完成通信業(yè)務(wù),實現(xiàn)動態(tài)頻譜資源共享,從而提高頻譜資源的利用率。因此,動態(tài)頻譜接入是認(rèn)知無線電的核心關(guān)鍵技術(shù)之一,其目標(biāo)是在保護主用戶正常通信的前提下,快速而有效地尋找到合適的空閑信道,以完成認(rèn)知用戶之間的通信,從而提高頻譜利用率。本論文針對認(rèn)知無線電系統(tǒng)的動態(tài)頻譜接入關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。論文利用優(yōu)化理論、馬爾科夫決策過程以及強化學(xué)習(xí),研究了:基于信道時變特性的頻譜感知和數(shù)據(jù)傳輸時長聯(lián)合優(yōu)化;認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中傳輸功率受限下,基于信道時變性的信道接入和傳輸速率聯(lián)合優(yōu)化;分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,信道接入和資源分配的學(xué)習(xí)機制設(shè)計。全文主要研究內(nèi)容概括如下:第二章研究了基于信道時變特性的頻譜感知和數(shù)據(jù)傳輸時長聯(lián)合優(yōu)化問題。論文首先在單信道環(huán)境下,研究了怎樣結(jié)合信道時變特性來實現(xiàn)最優(yōu)頻譜感知和傳輸時長的聯(lián)合優(yōu)化。分別在單用戶和多用戶場景下,利用優(yōu)化理論設(shè)計了能根據(jù)信道時變性自適應(yīng)調(diào)整檢測和傳輸策略的自適應(yīng)檢測-傳輸方案。在不知道信道ON/OFF狀態(tài)變化規(guī)律的情況下,認(rèn)知用戶通過該方案對信道狀態(tài)進行預(yù)測和估計,并相應(yīng)的調(diào)整檢測-傳輸策略以提高認(rèn)知用戶的吞吐量性能,并確保對主用戶的保護達到系統(tǒng)要求。論文進一步在多信道環(huán)境下,研究了基于信道時變特性的檢測-傳輸優(yōu)化問題。分別在信道狀態(tài)信息不可獲取和信道狀態(tài)信息可獲取兩種情況下,設(shè)計了相應(yīng)的多信道自適應(yīng)檢測-傳輸方案。仿真結(jié)果顯示:多信道自適應(yīng)檢測-傳輸方案能有效提高認(rèn)知用戶的吞吐量。第三章研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)傳輸功率受限條件下,基于信道時變性的信道接入和傳輸速率聯(lián)合優(yōu)化問題。在集中式和分布式兩種場景下,論文綜合考慮了傳輸功率受限、信道時變特性、傳輸沖突和碰撞(認(rèn)知用戶與主用戶的沖突以及認(rèn)知用戶之間的沖突)等限制條件對接入性能的影響,研究了最大化認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最優(yōu)策略設(shè)計。在集中式場景下,論文利用約束馬爾科夫決策過程求解出最優(yōu)策略;在分布式場景下,論文利用約束納什均衡證明了最優(yōu)策略的存在性,并通過優(yōu)化建模求出了分布式下的最優(yōu)策略。考慮到求解最優(yōu)策略的復(fù)雜度會隨著行動集和狀態(tài)空間的規(guī)模呈指數(shù)增長,論文進一步研究并提出了降低最優(yōu)策略求解復(fù)雜度的方法:(1)通過行動集縮減以及狀態(tài)聚合來降低策略求解的復(fù)雜度;(2)證明了在特定條件下,多信道接入和傳輸速率選擇的聯(lián)合策略設(shè)計問題可以簡化為單信道問題來加以求解。此外,論文還基于純策略模式求解出最優(yōu)策略,以便使所提策略更具有實用性。最后,在主用戶網(wǎng)絡(luò)頻譜占用參數(shù)未知的情況下,論文提出了最大似然估計和一階矩估計兩種方法對相應(yīng)場景下的信道ON/OFF模型參數(shù)進行估計,以便在參數(shù)未知情況下求解最優(yōu)策略。第四章在分布式場景下研究了信道接入和資源分配的學(xué)習(xí)機制設(shè)計,以便認(rèn)知用戶能在獲取的反饋信息有限的條件下,通過對認(rèn)知環(huán)境獨立的探索和學(xué)習(xí)提高自身接入性能。首先,論文以最大化傳輸能效為目標(biāo),研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的分布式信道接入和傳輸速率選擇聯(lián)合優(yōu)化。論文從跨層優(yōu)化的角度為認(rèn)知用戶定義了綜合考慮能量損耗以及QoS(Quality of Service)性能的能效收益函數(shù),并提出了分布式接入機制以減少認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)信息交互。論文還進一步設(shè)計了分布式PD-Q(Probability based Decentralized-Q)學(xué)習(xí)算法,并證明了算法的收斂性。仿真結(jié)果顯示:PD-Q學(xué)習(xí)算法能顯著提高認(rèn)知用戶能效收益。論文接下來研究了多個認(rèn)知收發(fā)對在分布式場景下的中繼傳輸問題。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,由于地理位置和主用戶頻譜占用情況的差異,可能導(dǎo)致發(fā)送端和接收端無法尋找到同一可用空閑信道進行通信。針對該問題,論文提出了完全分布式的中繼選擇和信道接入算法:ME-NR(Moment Estimation-No Regret)學(xué)習(xí)算法。該算法利用歷史收益來估計信道參數(shù),并采用無悔學(xué)習(xí)以不斷改進策略,使得各認(rèn)知收發(fā)對能通過有限的反饋信息獨立選擇中繼節(jié)點以及相應(yīng)的頻譜資源,實現(xiàn)最大化各自吞吐量。仿真結(jié)果顯示:ME-NR算法能顯著提高認(rèn)知收發(fā)對的吞吐量性能。
[Abstract]:In order to solve the problem of frequency spectrum sensing and data transmission based on time - varying characteristics of channel , the paper studies how to improve the utilization ratio of spectrum resources . In this paper , we study how to combine channel time - varying characteristics to improve the utilization of spectrum resources . In this paper , we propose two methods of maximum likelihood estimation and one - order moment estimation to estimate channel ON / OFF model parameters in cognitive radio network .

【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN925
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本文編號：1437182