能量收集认知无线电网络中资源管理技术研究

发布时间：2020-06-12 17:01

【摘要】：随着工业物联网、移动互联网等新技术的广泛普及,无线设备以及相关的应用大幅增加,无线频谱的巨大需求与有限的频谱资源之间的矛盾变得愈发突出。应运而生的认知无线电技术以期使动态频谱接入的设想成为可能,通过提升频谱有效性,来满足增长的频谱需求。在认知无线电网络中,次级用户可以在不损害初级用户通信的前提下,使用授权频谱进行通信,从而提升频谱利用率。为了充分利用授权频谱,次级用户需要进行频谱感知、频谱分析、频谱切换等操作,这些操作及相关数据的传输将极大消耗能量。因此,如何有效的提升能量有效性,成为认知无线电网络亟待解决的问题之一。能量收集技术从周边能量源收集能量为通信设备供电,具有无污染、潜在可以利用的能量无限制等优点,被视为提升通信网络能量有效性的有效技术之一。因此,将能量收集技术与认知无线电技术进行结合,衍生出具有能量收集能力的认知无线电网络,可兼顾频谱有效性和能量有效性,成为目前国内外学术界研究的热点问题之一。关于能量收集技术的资源管理方案虽已取得一定进展,但是大多数针对于传统的通信网络。由于认知无线电网络具有频谱感知、频谱分析、频谱切换等独有功能,已有的能量收集资源管理方案在认知无线电网络中性能较差或不再适用。此外,已有的考虑能量收集技术的资源规划方案主要关注于静态网络,对于系统状态(包括信道状态、能量收集状态等)动态变化的认知无线电网络中资源的规划问题,目前研究较少。本文针对上述内容,对能量收集认知无线电网络中的资源管理问题进行了深入详细的研究,主要内容包括:1.针对能量收集与数据传输顺序进行的认知无线电网络,研究了能量收集时间和传输功率的联合优化问题。提出了根据系统状态动态调整能量收集时间以及传输功率的最优策略。此外提出了一种次优策略,并推导出次优策略与网络参数间的闭合表达式。具体而言:1)综合考虑信道状态的多样性、授权频谱的可用性、以及感知错误的存在性,推导出由信道状态与可用能量构成的系统状态动态变化方程,构建表明长期吞吐量的价值函数;2)提出最优策略,该最优策略可根据当前的系统状态,分别指定能量收集时间及传输功率;3)证明出存在一个由电池容量决定的门限值,当可用能量小于该门限值时,最佳长期吞吐量随可用能量的增加单调递增;4)介绍了一种次优策略。证明出次优策略与网络参数间的闭合表达式,大幅降低得到次优策略的计算消耗。2.针对采用周期性频谱感知的认知无线电网络,认识到信道感知以消耗时间资源与能量资源为代价换取感知准确性的提升,以及传输功率的合理设置对于提升系统表现的重要作用,提出了面向长期中断概率最小化的优化信道感知时间和传输功率的最优策略,以及复杂度较低的次优策略。具体来说:1)综合考虑信道状态、可用能量以及动态变化的能量收集过程,对动态系统进行建模,设计出表明长期中断概率的价值函数;2)提出根据当前系统状态,动态调整感知时间及传输功率,从而最小化长期中断概率的最优策略。证明出最优的长期中断概率随着可用能量单调递减;3)提出算法复杂度较低的次优策略。该次优策略的表现随着次级用户接收信号信噪比的增加逐渐趋近于最优策略,并最终表现相同。3.针对周期性频谱感知的认知无线电网络,对通过联合优化信道感知时间和传输功率,从而最大化长期吞吐量的问题,进行了分析。提出了使长期吞吐量最大化的最优策略。证明出在接收到初级用户信号信噪比足够高时,最优传输功率随可用能量单调递增。此外,提出了一种低复杂度的次优策略。具体来说:1)对动态系统进行建模,设计出表明长期吞吐量的价值函数;2)提出了根据系统状态,动态决定感知时间及传输功率,从而使系统长期吞吐量最大化的最优策略;3)理论上证明出当次级用户接收到的初级用户信号的信噪比足够高时,最佳传输功率与可用能量之间单调性相关。提出了低复杂度的次优策略。该次优策略的表现在接收到初级用户信号信噪比足够高时,与最优策略的表现相当。4.针对采用按需进行频谱感知的认知无线电网络,研究了频谱感知决策与传输功率动态分配的资源优化问题。提出动态做出频谱感知决策,以及确定相应传输功率的最优资源管理策略。此外,提出一种次优策略,理论证明出该次优策略的感知决策与可用能量之间存在门限效应。具体来说:1)综合考虑由信道状态、能量收集状态,以及当前可用能量组成的系统状态,推导出不同感知决策以及传输功率下系统状态转移概率分布,对动态系统进行建模,设计出表示长期吞吐量的价值函数;2)提出最优频谱接入策略。该策略根据当前系统状态,动态决定是否接入频谱进行频谱感知,以及相应传输功率;3)设计出次优策略。证明出次优策略的频谱感知决策与可用能量之间存在门限效应。提出获得次优策略的有效算法。
【图文】：

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本文中所研究内容也主要针对交织式认知无线电网络。逡逑在交织式认知无线电网络中，为了有效的利用空闲频谱，频谱管理过程主要逡逑包含四个功能模块［１１］［１２］，如图１所示，分别为频谱感知及监测、频谱分析、频谱逡逑决策、和频谱移动。下面分别对上述四个功能模块进行阐述：逡逑（１）频谱感知及监测［１３］［１４］邋（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋Ｓｅｎｓｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）：通过频谱感逡逑知，次级用户能够检测出当前未被初级用户使用的频谱资源，称之为频谱空穴逡逑（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋Ｈｏｌｅｓ，ＳＰ），并利用频谱空穴进行数据传输。如果次级用户己经利用逡逑频谱空穴进行数据传输，则该频谱空穴将被实时监测以确定原始的初级用户是否逡逑出现使用该授权频谱。目前，，频谱感知技术通常分为两种［１５＼邋—种为周期式逡逑（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ）频谱感知心１８］，另一种为按需式（Ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ）频谱感知［１９＿２１］。周期逡逑式频谱感知是指次级用户间隔相同的时间、周期性的对频谱使用状况进行感知。逡逑这种方式可以持续性的寻找和跟踪频谱空穴。此外，周期式感知的结果还可以用逡逑２逡逑

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图２认知无线电网络资源管理总结逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２邋Ｓｕｍｍａｒｙ邋ｏｆ邋ＣＲ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ逡逑１．４研究意义及创新点逡逑采用能量收集技术的认知无线电网络虽然能够同时提升频谱和能量的有效逡逑性，但由于能量收集技术从周围环境中收集到的能量具有动态性、时变性、随机逡逑性等特点，因此也对认知无线电网络的资源管理技术提出了新的挑战。在本节，逡逑我们将介绍本论文的主要研宄内容及创新点。逡逑在应用了能量收集技术的认知无线电网络中，与传统的电池供电或电网供电逡逑的认知无线电网络最大的不同，是收集到的能量具有动态性、时变性、随机性等逡逑特点。而传统的资源管理方案均在确定性的能量供给的基础上进行研究，这使得逡逑己有的资源管理方案在能量收集认知无线电网络中表现较差或者不再适用，资源逡逑管理问题需要重新进行考虑［６９］。同时，目前在能量收集认知无线电网络中提出的逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN925

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