支持認(rèn)知、協(xié)作的無線網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化分配.pdf

1、頻譜共享技術(shù)和協(xié)作分集技術(shù)是新一代移動通信系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵技術(shù),分別對應(yīng)著認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)、協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò),以及集頻譜共享技術(shù)和協(xié)作分集技術(shù)優(yōu)點于一體的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò),對學(xué)術(shù)界和工業(yè)界產(chǎn)生了深刻的影響。未來移動通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)更高的傳輸速率,更高的頻譜效率、更好的服務(wù)質(zhì)量以及支持更加多樣化的業(yè)務(wù)。無線資源管理優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)上述目標(biāo)的主要方法之一,本論文將采用無線資源優(yōu)化分配理論和方法分別對認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)、協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究,以解決

2、未來移動通信系統(tǒng)存在的問題:(1)提高新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量問題。(2)提高小區(qū)邊緣頻譜效率問題。(3)提高頻譜資源利用率的問題。(4)減少或避免無線網(wǎng)絡(luò)的信號干擾問題。
　　 首先,本文第二章主要從認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的功率分配、聯(lián)合無線資源分配和動態(tài)頻譜分配兩個方面進(jìn)行了研究:(A)為滿足認(rèn)知用戶對主用戶的干擾約束,同時考慮認(rèn)知用戶間干擾問題,在非完美CSI條件下給出了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中三個最大最小和最小最大公平性的分配策略,分別是

3、(1)最小最大功率分配；(2)最大所有認(rèn)知用戶中最小SINR的功率分配；(3)最小所有認(rèn)知用戶中最大中斷概率功率分配。第一個優(yōu)化問題是一個非凸問題,通過將它轉(zhuǎn)化為幾何優(yōu)化問題求解。第二、三兩個優(yōu)化問題不能轉(zhuǎn)化為幾何優(yōu)化求解,提出了一種迭代功率分配算法來求解后面兩個優(yōu)化問題。最后,仿真結(jié)果顯示了在主用戶干擾溫度、認(rèn)知用戶QoS要求下,所提的三種策略都能有效地保證多認(rèn)知用戶的公平性。(B)由于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在的信息交互約束限制、分布式特

4、性和頻譜分配動態(tài)性等問題,基于微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)機(jī)制設(shè)計理論提出了基于VCG機(jī)制的動態(tài)頻譜分配博弈模型,進(jìn)一步提出一種基于動態(tài)頻譜分配的部分可觀察馬爾可夫決策過程(POMDP)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法。讓認(rèn)知用戶通過對歷史信息的觀察、統(tǒng)計,為提高競拍策略的獎賞值而進(jìn)行不斷的學(xué)習(xí)獲取最優(yōu)競拍策略。仿真結(jié)果表明,基于POMDP強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法可以顯著改善認(rèn)知用戶的行為,提高動態(tài)頻譜分配性能。
　　 其次,第三章研究了協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化分配:(A)提出了

5、一種能滿足用戶QoS需求的最小化用戶實際速率與需求速率差值之和的優(yōu)化模型,并給出了序貫功率調(diào)整算法(SPAA)和基于梯度的功率分配算法(GBPAA)兩種優(yōu)化算法求解該模型的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明,該方法能夠有效滿足用戶速率需求。進(jìn)一步,在能量受限的中繼網(wǎng)絡(luò)中,隨著用戶數(shù)的增加,將導(dǎo)致用戶的QoS需求得不到滿足,本文提出了基于能量效率的一步移除接入控制算法(OSRAC)和基于能效的逐步移除接入控制算法(SSRAC),該方法能夠在多用戶場景下

6、進(jìn)行有效的接入控制,提高系統(tǒng)能量效率。(B)研究Nakagami-m信道非完全信道狀態(tài)信息(CSI)下,協(xié)作中繼系統(tǒng)通過跨層設(shè)計提高頻譜效率問題,提出一種混合自動請求重傳(HARQ)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來分析計算系統(tǒng)平均誤包率(PER)；通過物理層自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)與HARQ協(xié)議跨層聯(lián)合設(shè)計,建立了在鏈路層數(shù)據(jù)包傳輸時延約束情況下,最大化中繼系統(tǒng)頻譜效率的跨層優(yōu)化模型；進(jìn)一步給出了該跨層優(yōu)化模型的迭代求解算法,對比分析了3種HARQ協(xié)議下系

7、統(tǒng)平均誤包率與頻譜效率的性能。仿真結(jié)果表明:本文提出的方案在滿足傳輸時延約束條件下,可以達(dá)到最大化頻譜效率。而且AMC和Type-Ⅲ HARQ的跨層設(shè)計在中繼協(xié)作情況下可以達(dá)到更高的頻譜效率和更低的平均誤包率。
　　 最后,第四章研究了認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化分配:(A)提出以能量效率作為衡量認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)性能標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計了認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合HARQ和功率分配的跨層優(yōu)化方案,獲得了該優(yōu)化方案的平均能量消耗閉合表達(dá)式,提出了在滿足主用戶干

8、擾約束和認(rèn)知用戶中斷概率約束條件下,最小化認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸單位比特數(shù)據(jù)能量消耗優(yōu)化模型。基于拉格朗日對偶分解法設(shè)計了跨層優(yōu)化模型的分布式求解算法。理論分析和仿真結(jié)果驗證了基于能量效率的跨層優(yōu)化方案的可行性,從能量效率角度為跨層優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。(B)研究了在不影響主用戶正常通信和保證認(rèn)知用戶QoS約束條件下,解決認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和功率消耗問題,分別提出了(1)最大化認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)用戶傳輸速率的最優(yōu)功率分配模型；(2)最小化認(rèn)知中