認(rèn)知協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇與協(xié)同資源配置理論研究.pdf

1、隨著社會信息化進(jìn)程的快速推進(jìn)，人們對以寬帶、移動以及物聯(lián)網(wǎng)等泛在應(yīng)用業(yè)務(wù)為代表的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求正迅猛增長，隨之而來的則是對無線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的急劇增加。從上世紀(jì)80年代開始商用的第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)到正在部署的第四代移動通信系統(tǒng)，無線移動通信技術(shù)取得了長足的發(fā)展和進(jìn)步.然而，與業(yè)務(wù)和市場應(yīng)用的快速增長相比，信息與通信技術(shù)的發(fā)展仍顯得相對滯后，還面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，如安全性、可擴(kuò)展性、頻譜短缺、服務(wù)質(zhì)量等。
　　 無線頻譜

2、資源:隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，有限的頻譜資源與快速增長的頻譜需求之間的矛盾日益尖銳。一方面，在現(xiàn)有固定頻譜分配模式下，當(dāng)前的頻譜資源已經(jīng)基本分配殆盡;另一方面，根據(jù)檢測，已授權(quán)頻段在時間和空間上的利用效率很不均勻，造成了寶貴的頻譜資源的極大浪費(fèi)。為了緩解上述矛盾，“認(rèn)知無線電”(CognitiveRadio，CR)的概念于1999年被首次提出，其核心思想就是打破傳統(tǒng)的固定頻譜分配機(jī)制，允許非授權(quán)用戶在不影響授權(quán)用戶的前提下，靈活、動

3、態(tài)的進(jìn)行頻譜接入，以提高頻譜資源在時間和空間上的使用效率。
　　 鏈路可靠性和網(wǎng)絡(luò)連通性:無線信道固有的時變特性和無線電信號傳輸時的廣播色散特性、距離衰減特性以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾開放特性，是對無線傳輸?shù)目煽啃砸约熬W(wǎng)絡(luò)連通性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為應(yīng)對此挑戰(zhàn)，配備了單一收發(fā)天線的多個節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作，構(gòu)成虛擬多天線的用戶協(xié)作分集方案(usercooperationdiversity，本文稱為“協(xié)作通信”)被明確提出，其基本思想是系統(tǒng)中的每個終端

4、都有一個或者多個伙伴，協(xié)作伙伴之間在傳輸自己信息的同時有責(zé)任幫助其他伙伴傳輸信息.這樣，每個終端在傳輸信息的過程中，即利用了自己又利用了協(xié)作伙伴的空間信道，從而獲得一定空間分集增益。
　　 可以預(yù)見，未來的無線通信系統(tǒng)必將是一個多網(wǎng)絡(luò)共存、多應(yīng)用需求共存、多覆蓋范圍互相滲透的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。以上兩個方面的矛盾已經(jīng)成為制約整個無線通信發(fā)展的主要因素，然而，任何單一的技術(shù)都無法獨(dú)立解決無線通信發(fā)展所面臨的困難和挑戰(zhàn)?；诖耍疚娜诤狭苏J(rèn)知

5、無線電技術(shù)和協(xié)作中繼技術(shù)，借助認(rèn)知無線電技術(shù)可以有效提升頻譜資源的利用率，利用協(xié)作中繼技術(shù)可提升無線傳輸?shù)目煽啃院彤悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連通性。前者從挖掘系統(tǒng)自由度的角度提升系統(tǒng)有效性，后者從提高分集增益的角度提高系統(tǒng)可靠性。本論文研究認(rèn)知協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇及協(xié)同資源配置理論，旨在通過理論研究為基于認(rèn)知無線電和協(xié)作中繼技術(shù)的未來無線通信系統(tǒng)設(shè)計提供理論指導(dǎo)，為網(wǎng)絡(luò)性能分析與比較提供理論依據(jù)，對以中繼選擇和載波分配為代表的無線資源管理協(xié)議設(shè)

6、計提供理論和算法支撐.本論文研究的場景從單用戶協(xié)作中繼無線網(wǎng)絡(luò)逐步擴(kuò)展到多用戶認(rèn)知協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)，所研究的問題從中繼選擇算法設(shè)計到聯(lián)合中繼選擇與信道分配算法設(shè)計.在研究方法上，本文綜合運(yùn)用了組合優(yōu)化理論、人工智能算法、凸優(yōu)化等理論和方法.本論文中所研究的問題建模之后都是0-1整數(shù)規(guī)劃問題，基于分支定界算法框架和其他優(yōu)化理論可以設(shè)計全局最優(yōu)算法，這些算法可作為其他算法的性能參考.當(dāng)全局最優(yōu)算法的復(fù)雜度仍較高時，本文設(shè)計了一些啟發(fā)式算法用于降

7、低復(fù)雜度.對于變量之間無耦合關(guān)系的問題，本文主要基于遺傳算法進(jìn)行了算法設(shè)計（如第二章）;對變量之間互相耦合的問題，遺傳算法不再適用，針對此類問題本文設(shè)計了其他的啟發(fā)式算法（如第三章）.對最優(yōu)算法的復(fù)雜度已經(jīng)非常低的，不再設(shè)計其他算法（如第四章）.本論文的研究工作受到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于認(rèn)知無線電的中繼與協(xié)同通信研究”(編號:60832008)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作多媒體通信理論研究與實(shí)現(xiàn)”(編號:

8、61061122)的支持.本論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1.研究了協(xié)作中繼無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇與協(xié)同資源配置理論.首先研究了單信源-多中繼-單信宿的單用戶場景，中繼節(jié)點(diǎn)采用兩跳放大轉(zhuǎn)發(fā)信號處理方式，以最大化信宿端的信噪比為目標(biāo)函數(shù)時的多中繼選擇算法.針對本問題，本文基于分支定界框架，借助線性凸化放松技術(shù)，設(shè)計了具有全局最優(yōu)性能的多中繼選擇算法;為了降低運(yùn)算復(fù)雜度，本文設(shè)計了基于自適應(yīng)遺傳算法的多中繼選擇算法，該算法可以快速找到

9、最優(yōu)解.針對多信源-多兩跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼-多信宿場景下的中繼選擇與載波分配問題，本文將中繼選擇和載波分配空間進(jìn)行映射變換，通過對染色體編碼方案以及選擇、交叉、變異等3個核心遺傳運(yùn)算步驟的設(shè)計，本文提出了基于遺傳算法的中繼選擇與信道分配策略.本創(chuàng)新點(diǎn)對應(yīng)論文第二章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的4、5和6.
　　 2.研究了單用戶認(rèn)知協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇算法.該認(rèn)知協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)由單個主用戶對-單個次用戶對-多個次用戶中繼組成，其中由單次

10、用戶對-多次用戶中繼節(jié)點(diǎn)組成的次用戶網(wǎng)絡(luò)工作在主用戶對的收發(fā)區(qū)域內(nèi).次用戶采用underlay的頻譜接入方式與主用戶共享頻譜資源，次用戶中繼節(jié)點(diǎn)采用兩跳放大轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，在滿足主用戶干擾溫度限制的前提下，通過中繼選擇，最大化次用戶對之間的信道容量。當(dāng)次用戶信宿節(jié)點(diǎn)采用最大比合并方式時，該問題被建模成為一個0-1背包問題，基于貪婪策略和最優(yōu)單中繼選擇算法，本文設(shè)計了一種混合中繼選擇算法，仿真結(jié)果表明該算法可以克服貪婪算法在平均選中的中繼

11、節(jié)點(diǎn)數(shù)少于1時的性能缺陷且總能取到最優(yōu)或近似最優(yōu)性能。當(dāng)次用戶信宿節(jié)點(diǎn)采用等增益合并方式時，該問題建模為一個帶約束的0-1非線性非凸整數(shù)規(guī)劃問題，基于非凸優(yōu)化理論，本文首先設(shè)計了一個能以任意0到1之間精度要求取到全局最優(yōu)值的多中繼選擇算法，為進(jìn)一步降低復(fù)雜度，本文設(shè)計了簡化算法及具有二次方復(fù)雜度的迭代算法，仿真結(jié)果表明這些次優(yōu)算法可在輕微性能損失下快速完成迭代過程并取到近似最優(yōu)解。本創(chuàng)新點(diǎn)對應(yīng)論文第三章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的1、2和3

12、。
　　 3.研究了多用戶認(rèn)知協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇與載波分配問題。本文考慮的多用戶場景有多主用戶對-多次用戶對-多次用戶中繼組成，次用戶網(wǎng)絡(luò)采用underlay動態(tài)頻譜接入模式，次用戶中繼節(jié)點(diǎn)采用兩跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的信號處理方式，在滿足主用戶干擾溫度限制的條件下，通過設(shè)計中繼選擇和載波分配算法以最大化次用戶系統(tǒng)的信道容量和。該問題被建模成為一個帶復(fù)雜約束的非凸優(yōu)化問題，通過問題等價轉(zhuǎn)化本文把兩個二維0-1系數(shù)矩陣的聯(lián)合配置問題轉(zhuǎn)化