發(fā)布時(shí)間：2017-12-05 21:16

  本文關(guān)鍵詞：面向傳輸優(yōu)化的認(rèn)知無(wú)線電資源分配問(wèn)題研究

  更多相關(guān)文章： 認(rèn)知無(wú)線電 信道分配 中繼 能量收集 拍賣

【摘要】：隨著移動(dòng)設(shè)備的不斷增長(zhǎng)和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,傳統(tǒng)的無(wú)線電頻譜資源靜態(tài)分配已經(jīng)不能滿足通信需要。而在一些專用通信網(wǎng)絡(luò)中,某些頻譜資源并沒(méi)有得到充分利用。自2000年以來(lái),認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)作為一種新興技術(shù)的提出,將有助于提高空間頻譜的利用率,同時(shí)可以緩解由于無(wú)線通信設(shè)備的增多導(dǎo)致的頻譜饑餓問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)特征主要表現(xiàn)在非授權(quán)用戶可以在不干擾授權(quán)用戶的前提下對(duì)授權(quán)用戶的頻譜進(jìn)行再利用,同時(shí),對(duì)于不占用的授權(quán)頻譜臨時(shí)分配給非授權(quán)用戶使用�，F(xiàn)有的研究主要集中于研究通過(guò)頻譜感知、頻譜分配、信道編碼等技術(shù)提高頻譜資源的利用率和系統(tǒng)吞吐率。本研究的重點(diǎn)在使用中繼、能量收集、拍賣等技術(shù),研究不同認(rèn)知無(wú)線電通信模式下頻譜資源的分配,對(duì)系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行分析,對(duì)系統(tǒng)的吞吐率進(jìn)行優(yōu)化。本研究首先介紹認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)背景知識(shí),包括無(wú)線電的頻譜分配情況以及認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)提出的背景,認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的定義,主要特征,體系結(jié)構(gòu)以及相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景等。然后,在第二章,總結(jié)與本文相關(guān)的已有研究工作,在此基礎(chǔ)上提出可能的研究方向,具體包括底襯模式下認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)次用戶子網(wǎng)絡(luò)的吞吐率性能研究,底襯模式下次用戶網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列系統(tǒng)性能研究,泛在網(wǎng)絡(luò)下異構(gòu)頻譜提供者參與的頻譜拍賣機(jī)制研究以及能量收集次用戶節(jié)點(diǎn)QoS保障下主用戶安全容量問(wèn)題研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容及貢獻(xiàn)有以下四個(gè)方面。一、如何高效的分配信道資源,是提高認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)次用戶網(wǎng)絡(luò)性能的挑戰(zhàn)。為了達(dá)到這個(gè)目的,在底襯式通信模式下,信道分配和功率分配都將會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)的性能,例如吞吐率等�，F(xiàn)有的文獻(xiàn)大多研究在底襯模式下次用戶網(wǎng)絡(luò)通信的中斷概率或者研究中繼選擇方法,使得次用戶網(wǎng)絡(luò)的吞吐率最大。這些網(wǎng)絡(luò)模型僅僅包含一個(gè)主用戶傳輸對(duì)和一個(gè)次用戶傳輸對(duì),而忽略了在主用戶網(wǎng)絡(luò)和次用戶網(wǎng)絡(luò)多個(gè)傳輸對(duì)共存的情況。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中往往在主用戶網(wǎng)絡(luò)和次用戶網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)傳輸對(duì),如何將主用戶使用的信道分配給次用戶使用使得網(wǎng)絡(luò)的性能最優(yōu)是一個(gè)挑戰(zhàn)。另外,長(zhǎng)距離的傳輸往往存在著信道衰減,為此,在第三章里,我使用兩跳中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)提升次用戶網(wǎng)絡(luò)的性能,并定義了信道和功率分配問(wèn)題,研究最大化次用戶網(wǎng)絡(luò)總吞吐率和最小吞吐率問(wèn)題。對(duì)于次用戶網(wǎng)絡(luò)總吞吐率最大問(wèn)題,我將問(wèn)題定義成二分圖的匹配問(wèn)題,并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于二分圖的最大帶權(quán)匹配算法的總吞吐率最大算法(STMA)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于次用戶網(wǎng)絡(luò)最小吞吐率最大問(wèn)題,在最優(yōu)中繼分配算法(ORA)基礎(chǔ)上,我設(shè)計(jì)了一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度的迭代算法,最優(yōu)信道分配算法(OCAA)來(lái)迭代的將主用戶使用的信道分配給次用戶使用。仿真實(shí)驗(yàn)表明,在次用戶發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功率低于主用戶的干擾功率閾值下,次用戶網(wǎng)絡(luò)的吞吐率隨著次用戶的發(fā)射功率的增加而增加。當(dāng)路徑衰減因子α=2時(shí),STMA算法比隨機(jī)算法的性能高出46.67%。而當(dāng)α=3時(shí),STMA算法比隨機(jī)算法性能超出13.08%。OCAA算法可以在有限的迭代次數(shù)內(nèi)有效確保次用戶傳輸對(duì)的最大-最小公平性并且在大部分的情況下,至少比隨機(jī)算法性能超出97%。二、在次用戶網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)策略設(shè)計(jì)也會(huì)影響次用戶網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能,例如延遲等。在底襯式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,存在主次兩種類型的用戶,而在次用戶網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,發(fā)送的數(shù)據(jù)包往往存在優(yōu)先級(jí)�，F(xiàn)有的研究集中于研究次用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是同構(gòu)的情況。為此,第四章,在假設(shè)次用戶網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包擁有搶占優(yōu)先級(jí)及擁有焦慮等待時(shí)間的基礎(chǔ)上研究次用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列的傳輸性能。我從全局的視角將次用戶發(fā)送數(shù)據(jù)包的行為定義成M/M/1+GI排隊(duì)系統(tǒng),使用二維狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)表示。最后實(shí)驗(yàn)分析了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包中途退出的概率以及兩種優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的平均等待時(shí)間等。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性,并可以指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)的選擇,用于設(shè)計(jì)高效的MAC層協(xié)議。三、作為保證次用戶高效傳輸?shù)念l譜資源分配再利用技術(shù)之一,頻譜拍賣可以激勵(lì)頻譜資源代理人(PO)以及次用戶之間進(jìn)行頻譜資源再分配。在現(xiàn)有的頻譜拍賣機(jī)制當(dāng)中,每個(gè)PO只有一種類型的頻譜,或者每個(gè)次用戶只能夠從同一個(gè)頻譜代理人購(gòu)買同構(gòu)的資源。在泛在網(wǎng)中,每個(gè)PO擁有異構(gòu)的頻譜資源,例如WiFi,3G。另外,每個(gè)次用戶可以向同一個(gè)PO請(qǐng)求不同種類的頻譜資源�，F(xiàn)有的方法無(wú)法直接針對(duì)此場(chǎng)景進(jìn)行高效的頻譜資源分配。為此,在第五章,我設(shè)計(jì)了一個(gè)輕型的組合雙拍賣機(jī)制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,并提出了貪心算法G-Greedy和基于群體折扣的算法E-Greedy。最后,理論證明了所提出拍賣機(jī)制的經(jīng)濟(jì)學(xué)性質(zhì),通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了提出的算法和已有的算法相比,可以帶來(lái)更高收益。四、在保障認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的高效傳輸?shù)耐瑫r(shí),通信的安全性是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。由于次用戶節(jié)點(diǎn)大多是移動(dòng)節(jié)點(diǎn),能量往往受限。為此,具有能量收集功能的節(jié)點(diǎn)將能夠保障網(wǎng)絡(luò)通信的連續(xù)性。第六章研究在覆蓋通信模式下,具有能量收集功能的次用戶作為中繼節(jié)點(diǎn)幫助主用戶發(fā)送數(shù)據(jù),如何在保證次用戶自身通信QoS的同時(shí)提高主用戶通信的安全容量問(wèn)題。我將問(wèn)題定義為混合非線性整型規(guī)劃問(wèn)題。考慮到求解問(wèn)題約束條件的特殊性,本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間的算法SRMA來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)分析表明,主用戶的安全容量隨著次用戶節(jié)點(diǎn)的能量保存率的增高而增大,最優(yōu)能量保存率與能量收集率成反比關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN925

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