MIMO多跳認知無線電網(wǎng)絡的跨層優(yōu)化研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，multipleinputmultipleoutput)技術是突破香農(nóng)(Shannon)容量限制的一項有效手段。在無需拓展頻譜的情況下，MIMO技術利用多接口多信道同時進行數(shù)據(jù)傳輸，能夠成倍提高無線多跳網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量、頻譜使用效率，節(jié)約頻譜資源。同時，MIMO技術對多跳無線網(wǎng)絡的吞吐量、實時性、拓撲連通性等性能有顯著影響，并可結合物理層、MAC層與網(wǎng)絡傳輸層進行跨層優(yōu)化研究。而認知無線電(CR，cognitive

2、radio)內(nèi)嵌智能信息處理器，具有感知外界頻譜資源的能力，其根據(jù)感知到的信息靈活調(diào)整發(fā)送與接收參數(shù)，使得非授權用戶(SU，seconduser)能夠動態(tài)使用分配給授權用戶(PU，primeruser)的空閑頻譜資源，從而提高網(wǎng)絡性能。融合MIMO和CR兩種技術可以顯著改善現(xiàn)有網(wǎng)絡擁堵狀況，其具有廣闊的應用場景，因此研究基于MIMO和CR的無線網(wǎng)絡跨層優(yōu)化技術具有非常重要的意義。
　　在對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和實際運用進行了深入研究的基

3、礎上，本文提出了簡單有效且可以分布式執(zhí)行的算法來求解MIMO多跳認知無線電網(wǎng)絡跨層優(yōu)化問題。本文的主要工作和結論如下:
　　(1)在AdHoc網(wǎng)絡中，針對節(jié)點發(fā)送功率限制、信道容量限制，提出了平坦衰落下綠色MIMO多跳認知無線電網(wǎng)絡模型，解決了權重網(wǎng)絡效用最大化與功率消耗問題。利用對偶分解算法將原問題分解為網(wǎng)絡傳輸層和物理鏈路層子問題。網(wǎng)絡傳輸層子問題為凸問題，物理鏈路層子問題為非凸問題。對于網(wǎng)絡傳輸層子問題，采用分布式牛頓算法來

4、求解，而對于物理鏈路層子問題，則采用可分布式執(zhí)行的基于線性化的交替更新算法來求解。主問題的非凸性導致了對偶分解算法可能無法得到原問題的可行解，本文通過有效的啟發(fā)式方法來恢復至可行解。
　　(2)在研究點(1)的基礎上，提出了頻率選擇性衰落下MIMO多跳認知無線電網(wǎng)絡模型，并考慮了二級用戶之間的干擾，該問題模型具有廣泛的應用場景且變得更加復雜，解決了網(wǎng)絡效用最大化問題。同樣，本文采用對偶分解方法將原問題分解為網(wǎng)絡傳輸層和物理層子問題

5、。網(wǎng)絡傳輸層子問題與研究點(1)的網(wǎng)絡傳輸層子問題類似。對于物理層子問題，將其等價為權重和最小化均方誤差(WMMSE)問題，通過設計線性收發(fā)器優(yōu)化算法來求解WMMSE問題。主問題的非凸性導致了對偶分解算法可能無法得到原問題的可行解，同樣，本文通過有效的啟發(fā)式方法來恢復至可行解。
　　(3)研究點(1)與研究點(2)的網(wǎng)絡傳輸層子問題是凸優(yōu)化問題。可以使用分布式牛頓法來求解該問題，為了提高分布式牛頓法的適用范圍，本文將網(wǎng)絡傳輸層子問