基于D2D與能量收集的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配研究.pdf

1、認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)頻譜資源、能量資源及中繼資源的感知及靈活使用能力，在提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率方面具有良好性能并得到了廣泛應(yīng)用。終端直通（Device-to-Device，D2D）通信技術(shù)可以使用戶不經(jīng)過(guò)基站進(jìn)行直通通信，減小用戶干擾范圍，提高網(wǎng)絡(luò)頻譜效率；能量收集技術(shù)可以使用戶從自身的通信環(huán)境中獲取傳輸能量，提高網(wǎng)絡(luò)能量效率。所以，將 D2D通信、能量收集技術(shù)融合到認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能及資源利用率。因此，基于D2D與能量收集

2、技術(shù)的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
　　考慮到D2D與能量收集系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)以及認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源和環(huán)境的認(rèn)知能力，如何合理地分配通信資源以獲得更高的資源利用率成為亟待解決的問(wèn)題。為此，本論文首先對(duì)認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)分別與 D2D、能量收集系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)環(huán)境和不同通信資源的認(rèn)知能力，利用最優(yōu)化理論、聯(lián)盟成形博弈理論和概率網(wǎng)絡(luò)理論等優(yōu)化方法，以提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)基于D2D與能量收集的認(rèn)知中

3、繼網(wǎng)絡(luò)資源配置問(wèn)題進(jìn)行研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新性貢獻(xiàn)包括：
　　首先，基于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源共享機(jī)制，針對(duì) underlay頻譜共享模式下的中繼D2D網(wǎng)絡(luò)中，由蜂窩用戶與D2D用戶之間的相互干擾導(dǎo)致頻譜資源利用率下降的問(wèn)題，論文分別從用戶傳輸速率保障和資源分配公平性的角度出發(fā)，研究了中繼D2D網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源分配問(wèn)題。1）為提高D2D網(wǎng)絡(luò)吞吐量，將空閑節(jié)點(diǎn)作為D2D用戶的中繼節(jié)點(diǎn)，在保證網(wǎng)絡(luò)中所有用戶最小傳輸速率的約束條

4、件下，提出了兩種基于聯(lián)盟成形博弈理論的中繼選擇與傳輸頻段分配算法。兩種算法分別采用基于“分裂—合并”和基于“單用戶移動(dòng)”的方式為D2D用戶選擇中繼節(jié)點(diǎn)和傳輸頻段，理論分析了所提算法的穩(wěn)定性和收斂性；仿真結(jié)果表明，兩種算法均可在保證用戶傳輸速率的同時(shí)改善網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提升資源分配有效性。2）考慮到D2D用戶的自私性，以納什議價(jià)理論和聯(lián)盟成形博弈論作為理論基礎(chǔ)，提出了一種保證資源分配公平性的聯(lián)合資源分配算法。該算法通過(guò)模式選擇、功率控制、時(shí)隙

5、資源分配、傳輸頻段分配過(guò)程，在保證蜂窩用戶最小傳輸速率的情況下，兼顧了網(wǎng)絡(luò)吞吐量與D2D用戶間的資源分配公平性；仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有研究相比，所提算法以犧牲小部分網(wǎng)絡(luò)吞吐量為代價(jià)，有效提升了資源分配公平性。
　　其次，基于網(wǎng)絡(luò)對(duì)鏈路狀態(tài)的認(rèn)知，針對(duì)overlay頻譜共享模式下的中繼D2D網(wǎng)絡(luò)中，由用戶移動(dòng)性造成的鏈路斷裂或同頻干擾導(dǎo)致頻譜資源利用率下降的問(wèn)題，以通信鏈路穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種基于鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)的資源分配算法。該

6、算法運(yùn)用概率網(wǎng)絡(luò)理論預(yù)測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的鏈路狀態(tài)，在鏈路斷裂或同頻干擾發(fā)生之前采用模式選擇、功率控制及傳輸頻段分配算法，最大限度保證鏈路的穩(wěn)定狀態(tài)；仿真結(jié)果表明，該算法可以有效減少鏈路處于異常狀態(tài)的時(shí)間，有效提升了鏈路穩(wěn)定性。
　　最后，基于網(wǎng)絡(luò)對(duì)能量資源的認(rèn)知，在能量收集認(rèn)知中繼系統(tǒng)中，針對(duì)節(jié)點(diǎn)可用能量的隨機(jī)性影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量，從而導(dǎo)致能量資源利用效率下降的問(wèn)題，以網(wǎng)絡(luò)吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)，分別研究了自然能量收集和射頻（Radio Fre

7、quency，RF）能量收集兩個(gè)場(chǎng)景下的資源分配問(wèn)題。1）在自然能量隨機(jī)到達(dá)的情況下，提出了一種協(xié)作波束成形認(rèn)知中繼系統(tǒng)中的最優(yōu)功率分配策略。通過(guò)對(duì)認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)隊(duì)列穩(wěn)定性分析，獲得了能夠最大化認(rèn)知用戶穩(wěn)定吞吐量的最優(yōu)功率分配方案，有效提升了能量資源利用效率。2）在節(jié)點(diǎn)以所獲取的 RF能量作為傳輸能量的情況下，提出了一種適用于多數(shù)據(jù)源中繼系統(tǒng)的協(xié)作中繼傳輸與能量收集協(xié)議，通過(guò)對(duì)能量收集時(shí)間與信息傳輸時(shí)間的合理分配，有效提