隨著智能終端設(shè)備的普及和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng),無(wú)線(xiàn)頻譜資源需求越來(lái)越大。無(wú)線(xiàn)頻譜是一種非再生資源,傳統(tǒng)頻譜資源固定劃分的方式存在頻譜資源利用率低的問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電(CR,Cognitive radio)是一種能夠有效解決頻譜資源短缺和頻譜利用率低問(wèn)題的智能無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在主用戶(hù)(授權(quán)頻譜用戶(hù))和次用戶(hù)(非授權(quán)頻譜用戶(hù)),且次用戶(hù)可以在不影響主用戶(hù)通信服務(wù)質(zhì)量(QoS,Quality of service)的條件下共享主用戶(hù)的頻譜,從而提高頻譜利用率。正交頻分多址復(fù)用(OFDM,Orthogonal frequency division multiplexing)技術(shù)以其頻譜利用率高、抗多徑時(shí)延能力強(qiáng)和有效地消除符號(hào)間干擾等優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用到認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中。在OFDM認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中,次用戶(hù)發(fā)射機(jī)根據(jù)周?chē)O(shè)備反饋的信道狀態(tài)信息,動(dòng)態(tài)地分配子載波和功率來(lái)滿(mǎn)足主用戶(hù)對(duì)干擾門(mén)限的要求和次用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求。當(dāng)次用戶(hù)之間的通信距離遠(yuǎn)或者信道衰落嚴(yán)重時(shí),次用戶(hù)需要提高發(fā)射功率才能保證通信的可靠性,但此時(shí)也會(huì)對(duì)主用戶(hù)帶來(lái)嚴(yán)重的干擾。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中引入?yún)f(xié)作中繼技術(shù),可以擴(kuò)展通信覆蓋范圍、提升頻譜利用率和有效地解決通信距離遠(yuǎn)帶來(lái)的發(fā)射功率大問(wèn)題。但認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)卻給資源分配工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)�？紤]到認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在面臨的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),本文分別從信道狀態(tài)信息不確定性、用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量(QoE,Quality of experience)、能量效率和物理層安全幾個(gè)方向?qū)φJ(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源分配問(wèn)題展開(kāi)了研究,主要的工作和貢獻(xiàn)如下:首先,現(xiàn)有認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題的研究多數(shù)都是基于理想的信道狀態(tài)信息,然而由于信道估計(jì)誤差、量化誤差和反饋時(shí)延等因素的影響,次用戶(hù)發(fā)射機(jī)很難獲得精確的信道狀態(tài)信息。為了克服信道狀態(tài)信息不確定性的影響,本文在單主用戶(hù)功率獨(dú)立控制的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中,以最大化次用戶(hù)系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標(biāo),提出了一種啟發(fā)式魯棒中繼選擇算法和最優(yōu)的魯棒功率分配算法。本文采用Worst-case魯棒優(yōu)化理論和拉格朗日對(duì)偶方法求解魯棒功率分配問(wèn)題,并推導(dǎo)得出了最優(yōu)的功率分配解析解。本文通過(guò)理論分析說(shuō)明了算法的有效性,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提魯棒資源分配算法與理想信道狀態(tài)信息下提出的非魯棒資源分配算法相比,能夠嚴(yán)格地保證主用戶(hù)干擾門(mén)限的要求,但是需要付出一定的次用戶(hù)系統(tǒng)吞吐量作為代價(jià)。隨后,本文針對(duì)上述基于單主用戶(hù)功率獨(dú)立控制的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)魯棒資源分配算法做了如下改進(jìn):1)聯(lián)合控制次用戶(hù)發(fā)射機(jī)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率,使次用戶(hù)系統(tǒng)功率分配過(guò)程更加靈活;2)在主用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)中部署多個(gè)具有不同干擾門(mén)限要求的主用戶(hù)接收機(jī),使魯棒資源分配算法更符合實(shí)際通信場(chǎng)景;3)提出了一種最優(yōu)的魯棒中繼選擇方案,使得魯棒功率分配算法性能更好�；谏鲜龈倪M(jìn),本文提出了一種基于多主用戶(hù)功率聯(lián)合控制的魯棒資源分配算法。在嚴(yán)格保證多主用戶(hù)不同干擾門(mén)限的要求下,實(shí)現(xiàn)了最大化次用戶(hù)系統(tǒng)吞吐量的目標(biāo)。另外,傳統(tǒng)以QoS為優(yōu)化目標(biāo)的資源分配算法不能反映用戶(hù)的主觀感受而且還存在頻譜資源浪費(fèi)的問(wèn)題。為了直觀地反映用戶(hù)的主觀滿(mǎn)意度且提高頻譜利用率,目前多采用QoE作為資源分配的優(yōu)化目標(biāo),但在保障用戶(hù)QoE的同時(shí)會(huì)消耗大量的能量。為此,本文在雙向認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中研究了聯(lián)合優(yōu)化用戶(hù)QoE和能量消耗的資源分配問(wèn)題。次用戶(hù)總Qo E與功率消耗的比值被定義為用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量能量效率(QoEW,Quality of service per Watt),并被作為提高次用戶(hù)QoE和降低能量消耗的折中標(biāo)準(zhǔn)。在次用戶(hù)和中繼節(jié)點(diǎn)最大總發(fā)射功率、次用戶(hù)最低QoE需求和多個(gè)主用戶(hù)不同干擾門(mén)限的約束條件下,本文提出了一種以最大化QoEW為優(yōu)化目標(biāo)的資源分配算法。由于QoEW同時(shí)涉及物理層參數(shù)和應(yīng)用層參數(shù),本文根據(jù)跨層優(yōu)化理論、分式規(guī)劃理論和拉格朗日對(duì)偶方法最終獲得了最優(yōu)的QoEW。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提算法的有效性和優(yōu)越性,并分析了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)QoEW的影響。最后,由于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得傳統(tǒng)加密方式中的密鑰分配和管理在該網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)施。物理層安全技術(shù)可以利用無(wú)線(xiàn)信道的隨機(jī)性來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸,具有無(wú)需生成密鑰和復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn),適用于保障認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的信息安全。但在保障物理層安全時(shí),也會(huì)受到能量消耗的制約。為此,本文針對(duì)存在竊聽(tīng)者的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)研究了聯(lián)合優(yōu)化物理層安全和能量消耗的資源分配問(wèn)題。次用戶(hù)的保密速率與功率消耗的比值被定義為次用戶(hù)系統(tǒng)的安全能量效率(SRW,Secrecy rate per Watt),并被作為提高次用戶(hù)保密速率和降低能量消耗的折中標(biāo)準(zhǔn)。在次用戶(hù)和中繼節(jié)點(diǎn)最大總發(fā)射功率、次用戶(hù)最低保密速率需求和多個(gè)主用戶(hù)不同干擾門(mén)限的約束條件下,本文提出了一種以最大化SRW為優(yōu)化目標(biāo)的資源分配算法,并根據(jù)分式規(guī)劃理論、拉格朗日對(duì)偶方法和DC(Difference of convex)規(guī)劃理論獲得了最優(yōu)的SRW。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法能夠在保障次用戶(hù)最低保密速率的同時(shí)有效地提升次用戶(hù)系統(tǒng)的SRW。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN925
【部分圖文】：

0、WCDMA 和 TD-SCDMA），傳輸速率又被提高到 2Mbp/s，并高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第四代（4G）高速寬帶數(shù)據(jù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通 FDD-LTE），傳輸速率已經(jīng)可以達(dá)到 1Gbp/s，實(shí)現(xiàn)了高速多媒體 1G 時(shí)代不足 10Kbp/s，發(fā)展到 4G 時(shí)代的 1Gbp/s，通信傳輸速率而仍然無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)高速通信速率的追求。因此，當(dāng) 4G 商用時(shí)候，針對(duì)第五代（5G）移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作也在如火如荼了實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，要求峰值速率大于 20Gbp/s[1]。根據(jù) IMT20200 年我國(guó)對(duì)頻譜資源的需求約為 1200MHz，而同期能夠提供給系MHz。由此可見(jiàn)，頻譜資源稀缺的問(wèn)題將變得日益緊張。頻譜是一種非再生資源，由世界各國(guó)相應(yīng)的頻譜管理部門(mén)管理，非授權(quán)頻譜。雖然這種靜態(tài)分配方案便于管理，避免了不同通信譜資源利用率低。如圖 1.1 所示，授權(quán)頻譜占用較多的資源，但少。非授權(quán)頻譜占有較少的資源，但卻會(huì)出現(xiàn)業(yè)務(wù)擁擠的現(xiàn)象。和頻譜利用率低的問(wèn)題，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（CR, Cognitive radio）技術(shù)

分配算法將不再適用，此外，在認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配和中繼選擇等問(wèn)題�？梢�(jiàn)，在認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)合理且具挑戰(zhàn)性的工作。本文以認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)為背景，針對(duì)涉及效率、用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量（QoE, Quality of experience）和物理問(wèn)題展開(kāi)了深入研究，旨在為認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配算法繼網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)電電是一種智能的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能夠感知周?chē)l譜使用情后隨著環(huán)境的變化實(shí)時(shí)地調(diào)整發(fā)射功率、載波頻率和調(diào)譜分配和頻譜共享[23, 24]。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技n Haykin 教授提出的經(jīng)典的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)循環(huán)回路。

成為了近年來(lái)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在協(xié)作通信系統(tǒng)中，根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收信號(hào)處理方式的不同，中繼轉(zhuǎn)發(fā)方分為放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF,Amplify-and-forward）[33-35]和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF, Decode-and-forward兩種最基本的方式。圖 1.4(a)為采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式的協(xié)作通信場(chǎng)景，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)的來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大后，轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。圖 1.4(b)為采用解碼式的協(xié)作通信場(chǎng)景，中繼節(jié)點(diǎn)在接收到源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后，需對(duì)其進(jìn)行譯碼后重新再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。顯然，放大轉(zhuǎn)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但存在噪聲也同時(shí)放大的弊碼轉(zhuǎn)發(fā)方式在中繼節(jié)點(diǎn)處有譯碼過(guò)程，避免了噪聲通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)而放大，增強(qiáng)了輸?shù)目煽啃�。但是譯碼過(guò)程復(fù)雜，開(kāi)銷(xiāo)大且存在延時(shí)。因此，在實(shí)際通信系統(tǒng)中據(jù)具體情況選擇適合的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式。如何合理地選擇參與傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)是提中繼系統(tǒng)性能至關(guān)重要的問(wèn)題。常用的中繼選擇策略包括選擇性中繼方案[39]、機(jī)方案[40]、基于節(jié)點(diǎn)位置分布的中繼選擇方案[41]、基于信噪比（SNR, Signal to nois的中繼選擇方案[42]和基于中斷概率的中繼選擇方案[43]等。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2894121