本文關(guān)鍵詞：認知無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作頻譜感知策略與性能優(yōu)化分析

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【摘要】：隨著移動通信的飛速發(fā)展,為了滿足人們對未來爆炸性增長的移動數(shù)據(jù)以及各類新型業(yè)務(wù)的需求,第五代移動通信(5G)系統(tǒng)應(yīng)運而生。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)作為未來移動通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動力備受關(guān)注。認知無線電(Cognitive Radio, CR)技術(shù)對周圍無線環(huán)境感知的同時,集合當前狀態(tài)以及參考歷史信息進行檢測、分析、學習和規(guī)劃,通過自適應(yīng)地調(diào)整自己的傳輸參數(shù)實現(xiàn)頻譜的動態(tài)接入以提高頻譜利用率,成為移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)�？紤]未來網(wǎng)絡(luò)的多樣性,針對不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以提高認知無線網(wǎng)絡(luò)的性能為目標,設(shè)計有效的資源分配算法,是目前學術(shù)界的研究重點。因此,考慮認知無線網(wǎng)絡(luò)的非完美狀態(tài)信息、能量受限以及中繼節(jié)點的引入等場景,結(jié)合新的技術(shù),針對限制條件多樣化,優(yōu)化變量多維化的優(yōu)化問題設(shè)計有效的資源分配方案來提升現(xiàn)有認知無線網(wǎng)絡(luò)的性能,具有十分重大的理論及現(xiàn)實意義。針對不同的認知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以提高認知無線網(wǎng)絡(luò)感知性能與網(wǎng)絡(luò)容量為目標,本論文結(jié)合中繼,無線攜能(simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT)等技術(shù),.首先針對單層認知無線網(wǎng)絡(luò),分別從集中式與分布式兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行資源分配優(yōu)化設(shè)計。其次,擴展到雙層認知無線網(wǎng)絡(luò),分別以感知性能與網(wǎng)絡(luò)容量為目標,對分簇聚類算法與數(shù)據(jù)融合準則進行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計。最后,考慮能量受限的認知無線網(wǎng)絡(luò),結(jié)合無線攜能技術(shù)研究資源分配優(yōu)化算法。本論文的主要研究內(nèi)容及成果如下：第一,針對集中式認知中繼網(wǎng)絡(luò)中多維資源優(yōu)化問題,提出了N+1時隙數(shù)據(jù)傳輸準則以及中繼節(jié)點功率分配算法�？紤]一種多用戶單中繼的認知無線網(wǎng)絡(luò),在滿足中繼節(jié)點功率控制,主用戶干擾保護限制等條件下,最小化次用戶網(wǎng)絡(luò)的中斷概率,并建立次用戶網(wǎng)絡(luò)的中斷性能與中繼節(jié)點資源分配的相關(guān)模型,利用最優(yōu)化等理論推導出閉式解。最后,通過數(shù)據(jù)仿真表明,所推導出的功率分配算法與傳統(tǒng)算法相比有較高的性能提升。第二,針對分布式認知無線網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題,首先提出一種新型的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu),考慮信息交互次數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸時間所存在的折中優(yōu)化問題,建立次級用戶網(wǎng)絡(luò)容量與信息交互準則的相關(guān)模型。從提高次級用戶網(wǎng)絡(luò)容量和降低信令開銷角度出發(fā),形成最優(yōu)化問題進行求解,并提出迭代算法完成對次級用戶網(wǎng)絡(luò)信息交互準則的優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果表明相對于已有方案,它不僅能有效地降低信令開銷同時大大提高次級用戶網(wǎng)絡(luò)容量。第三,針對雙層認知無線網(wǎng)絡(luò)中分簇聚類算法和數(shù)據(jù)融合準則的聯(lián)合優(yōu)化問題,本文分別以感知性能和網(wǎng)絡(luò)容量為優(yōu)化目標,同時考慮完美信道以及非完美信道狀態(tài)信息,聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計分簇聚類算法和數(shù)據(jù)融合準則。首先,建立包含探測門限、分簇算法和數(shù)據(jù)融合準則的優(yōu)化問題。由于所形成的優(yōu)化問題是一個混合整數(shù)規(guī)劃問題,為了簡化處理,探測門限和數(shù)據(jù)融合權(quán)重優(yōu)先優(yōu)化。通過數(shù)值仿真表明,所提的方案相對于傳統(tǒng)的K-mean算法具有很好的性能提升。第四,針對基于無線攜能的認知中繼網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化問題,本文提出了時隙優(yōu)化、中繼選擇和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法�？紤]一種三階段無線攜能的認知中繼網(wǎng)絡(luò),在同時滿足SU源節(jié)點和中繼節(jié)點的功率限制和主用戶干擾保護要求的約束下,最大化主用戶網(wǎng)絡(luò)和次用戶網(wǎng)絡(luò)的遍歷容量,從而形成一個包含離散變量與連續(xù)變量的優(yōu)化問題。為了簡化處理,本文提出首先進行中繼選擇算法設(shè)計,其次完成功率分配算法的優(yōu)化。數(shù)值仿真表明,本論文提出的方案具有很好的性能增益。最后,對論文內(nèi)容進行了總結(jié),并指出了今后的研究方向。
【關(guān)鍵詞】：認知無線電網(wǎng)絡(luò) 認知中繼網(wǎng)絡(luò) 單層認知無線網(wǎng)絡(luò) 雙層認知無線網(wǎng)絡(luò) 資源分配 無線攜能
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN925
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-35
• 1.1 論文研究背景及意義11-12
• 1.2 認知無線網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵技術(shù)12-15
• 1.3 認知無線電網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)15-22
• 1.3.1 認知中繼網(wǎng)絡(luò)研究概述15-17
• 1.3.2 單層認知無線網(wǎng)絡(luò)研究概述17-18
• 1.3.3 層認知無線網(wǎng)絡(luò)研究概述18-19
• 1.3.4 無線攜能技術(shù)研究概述19-22
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新22-24
• 1.5 論文組織結(jié)構(gòu)24-25
• 參考文獻25-35
• 第二章 集中式認知中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配優(yōu)化設(shè)計35-48
• 2.1 研究概述及研究內(nèi)容35-37
• 2.2 系統(tǒng)模型37-39
• 2.3 中斷性能分析與優(yōu)化求解39-43
• 2.4 數(shù)值仿真結(jié)果及分析43-45
• 2.5 本章小結(jié)45-46
• 參考文獻46-48
• 第三章 分布式認知無線網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計48-60
• 3.1 研究概述及研究內(nèi)容48-49
• 3.2 系統(tǒng)模型49-51
• 3.3 基于網(wǎng)絡(luò)容量和信息交互的性能折中的算法設(shè)計51-55
• 3.3.1 分布式網(wǎng)絡(luò)模型51-52
• 3.3.2 幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法設(shè)計52-55
• 3.4 數(shù)值仿真結(jié)果及性能分析55-58
• 3.4.1 仿真參數(shù)設(shè)置55-56
• 3.4.2 仿真結(jié)果及分析56-58
• 3.5 本章小結(jié)58
• 參考文獻58-60
• 第四章 雙層認知無線網(wǎng)絡(luò)分簇聚類算法研究60-99
• 4.1 研究概述及研究內(nèi)容60-62
• 4.2 基于感知性能的混合式認知網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計研究62-79
• 4.2.1 系統(tǒng)模型62-63
• 4.2.2 基于分簇的協(xié)作頻譜感知策略63-67
• 4.2.3 基于高斯感知信道的分簇算法設(shè)計67-70
• 4.2.4 基于瑞利感知信道的分簇算法設(shè)計70-72
• 4.2.5 數(shù)值仿真結(jié)果及分析72-79
• 4.3 基于網(wǎng)絡(luò)容量的混合式認知網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計研究79-96
• 4.3.1 系統(tǒng)模型79-85
• 4.3.2 優(yōu)化問題建立85-87
• 4.3.3 基于字典序法的優(yōu)化算法87-90
• 4.3.4 數(shù)值仿真結(jié)果及分析90-96
• 4.4 本章小結(jié)96
• 參考文獻96-99
• 第五章 基于無線攜能的認知無線網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化研究99-115
• 5.1 研究概述及研究內(nèi)容99-100
• 5.2 系統(tǒng)模型100-103
• 5.2.1 系統(tǒng)模型100-101
• 5.2.2 三階段無線攜能通信準則101-103
• 5.3 優(yōu)化問題建立103
• 5.4 中繼選擇算法設(shè)計103-105
• 5.5 網(wǎng)絡(luò)容量性能研究105-109
• 5.5.1 主用戶系統(tǒng)遍歷容量性能分析105-108
• 5.5.2 次級用戶系統(tǒng)遍歷容量性能分析108-109
• 5.6 數(shù)值仿真結(jié)果及分析109-113
• 5.7 本章小結(jié)113
• 參考文獻113-115
• 第六章 總結(jié)與展望115-117
• 6.1 本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新115-116
• 6.2 對未來研究工作的展望116-117
• 附錄1 (3-9)(3.3節(jié))A_v和B_v(k)的計算117-118
• 附錄2 縮略語及符號說明118-121
• 致謝121-123
• 博士期間論文發(fā)表和申請專利情況123-124

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