认知无线网络性能优化和评估关键技术研究
发布时间：2020-05-06 21:08
【摘要】：随着无线通信技术的飞速发展以及无线业务量的快速增长,使10GHz以下可供分配的无线频谱日渐稀缺,但同时业务和用户的不均衡分布,使得频谱利用率较低。认知无线电技术允许认知用户通过对授权频谱的动态接入,在不影响主用户通信质量的前提下,有效提高频谱利用效率,满足认知用户的QoS要求。本文围绕相关应用场景,针对认知无线网络的能量效率和频谱效率等系统性能优化问题、以及信道切换锁相环环路参数的评估技术等展开深入研究,提出了具有独创性的解决方案,并通过理论分析和仿真实验对相关算法进行了验证。论文对本研究工作的主要内容和创新点总结如下:第一,在Underlay模式下的射频能量采集认知无线网络中,为保证不同优先级业务的服务质量,以认知用户的能量效率最大化为目标,创新性地提出一种基于能量采集时间和发射功率联合优化算法。首先,基于CR用户先采集后传输的工作方式及服务质量等条件对系统EE进行建模,利用坐标上升法将该问题分解为关于收集时间和发射功率的两个子问题,采用Charnes-Cooper转换法将问题近似为等效凸问题。研究了适用于本场景的时间和功率的联合优化算法,最后对算法收敛性进行了理论证明;其次,针对每时隙剩余能量管理和信道小尺度衰落等假设,建立RF能量采集认知无线网络EE优化问题模型,基于Dinkelbach方法进行优化问题的等效转换,并通过Lambert W函数方法和次梯度方法进行了时间和功率联合优化算法设计,得到系统资源分配最优条件;第二,在Interweaver模式下的认知无线自组织网络中,为了最大化程度地提高次用户网络的容量性能,基于超模博弈理论对次用户网络容量性能优化问题进行了研究,提出了一种独创性的分布式干扰补偿和功率分配算法。首先,基于频谱感知和数据传输对认知无线自组织网络系统容量优化化问题进行建模,转化为等效博弈模型,利用KKT条件引入新的价格因子以描述用户间干扰代价;然后,在不同SINR条件下,研究了等效博弈模型满足超模博弈性质的条件。最后,基于Gradient Play方法实现了本系统下的分布式功率分配算法设计,通过仿真实验验证了网络容量和算法收敛性能;第三,在基于认知无线电的遥测网络场景中,为了对影响次用户信道切换和接收解调性能的锁相环环路参数进行评估,创新性地提出一种针对锁相环环路带宽和增益的实时测量技术。首先,基于香农容量公式对网络性能的影响因素进行了讨论,分析了锁相环环路带宽对用户信道切换和信号接收载波同步的影响效果。然后在此基础上提出一种稳健的参数实时测量技术,可在闭环状态下对锁相环环路带宽和增益等环路参数进行实时测量。通过真实系统和仿真实验,验证了理论分析和实验结果的一致性,为PLL控制环路性能评估提供了有效解决方案。
【图文】：
近几十年间，无线通信系统得到空前发展，通过与互联网技术的融合，逐步应用到逡逑众多领域中（如民用、军事、救灾和野外作业等），使人们的生活方式发生了巨大变化。逡逑同时，也促使了移动终端规模和高速率无线业务数量爆炸式的增长，如图１．１。这些变化逡逑对频谱资源提出了越来越高的要求，直接造成频谱分配的ｎ渐饱和，频谱资源也越来越逡逑稀缺。然而，由于通信用户和业务分布的不均衡性，使得静态方式分配的大部分授权频逡逑谱的利用率（Ｓｐｅｔｒｕｍ邋Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）普遍较低［１’２］。这里，频谱利用率表示为每个用户所逡逑占带宽、所用时间和所在空间位置相乘的结果，即＝逦（５－频谱带宽，ｒ－时间，逡逑空间位置），，即将频谱用频率、时间和空间维度进行度量。逡逑设备数：１０亿逦Ｅｘａｂｙｔｅｓ／月逡逑■Ｉ邋ＰＣ和其它移动设备逦１１其它移动设备逡逑Ｉ邋ｉ非智能机手机平板逦９０逦Ｉ邋１智能手机逡逑１６逦｜｜Ｍ２Ｍ逦ｇｏ逡逑＇ＺＴｎ邋ｔ邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋ＩＩ邋Ｍ邋：：逦■邋■逡逑２０１７逦２０１８逦２０１９逦２０２０逦２０２１逦２０２２逦２０１７逦２０１８逦２０１９逦２０２０逦２０２１逦２０２２逡逑图１．１邋ＣＩＳＣＯ关于无线终端设备和全球无线数据晕；的预测逡逑因此，频谱资源稀缺与频谱利用率低成为一对迫切需要解决的矛盾，为了缓和这种逡逑资源利用矛盾、满足用户的数据业务服务质量（ＱｕａｌｉｔｙｏｆＳｅｒｖｉｃｅ
设施进行协调，如基于ＣＲ技术的蜂窝网络；ｂ）分布式。基于ＣＲ的分布式网络（ＣＲ邋Ａｄ邋Ｈｏｃ逡逑Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，邋ＣＲＡＨＮ）是由多个ＣＲ设备以无中心方式形成的自组织网络，可具备智能规逡逑划、动态架构、多跳传输等特点，并可由多个功能共存的子网组成，如图１．２。这些ＣＲＮ逡逑系统架构均具有广泛应用价值，支持多用户在临时场景下快速组成分布式移动网络。逡逑ＣＲＮ系统可在不改造已有多用户网络的基础上增加ＣＲ用户进行实现，对用户业务需求逡逑和无线通信环境均有较好的适应性，可在多种应用场景中有效缓解频谱资源稀缺和频谱逡逑利用率低这一已知矛盾［３’４］。逡逑ｈ，邋－邋Ｖ＼邋幻丨邋ｇｌｕ逡逑
本文编号：2651859
【图文】：
近几十年间，无线通信系统得到空前发展，通过与互联网技术的融合，逐步应用到逡逑众多领域中（如民用、军事、救灾和野外作业等），使人们的生活方式发生了巨大变化。逡逑同时，也促使了移动终端规模和高速率无线业务数量爆炸式的增长，如图１．１。这些变化逡逑对频谱资源提出了越来越高的要求，直接造成频谱分配的ｎ渐饱和，频谱资源也越来越逡逑稀缺。然而，由于通信用户和业务分布的不均衡性，使得静态方式分配的大部分授权频逡逑谱的利用率（Ｓｐｅｔｒｕｍ邋Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）普遍较低［１’２］。这里，频谱利用率表示为每个用户所逡逑占带宽、所用时间和所在空间位置相乘的结果，即＝逦（５－频谱带宽，ｒ－时间，逡逑空间位置），，即将频谱用频率、时间和空间维度进行度量。逡逑设备数：１０亿逦Ｅｘａｂｙｔｅｓ／月逡逑■Ｉ邋ＰＣ和其它移动设备逦１１其它移动设备逡逑Ｉ邋ｉ非智能机手机平板逦９０逦Ｉ邋１智能手机逡逑１６逦｜｜Ｍ２Ｍ逦ｇｏ逡逑＇ＺＴｎ邋ｔ邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋ＩＩ邋Ｍ邋：：逦■邋■逡逑２０１７逦２０１８逦２０１９逦２０２０逦２０２１逦２０２２逦２０１７逦２０１８逦２０１９逦２０２０逦２０２１逦２０２２逡逑图１．１邋ＣＩＳＣＯ关于无线终端设备和全球无线数据晕；的预测逡逑因此，频谱资源稀缺与频谱利用率低成为一对迫切需要解决的矛盾，为了缓和这种逡逑资源利用矛盾、满足用户的数据业务服务质量（ＱｕａｌｉｔｙｏｆＳｅｒｖｉｃｅ
设施进行协调，如基于ＣＲ技术的蜂窝网络；ｂ）分布式。基于ＣＲ的分布式网络（ＣＲ邋Ａｄ邋Ｈｏｃ逡逑Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，邋ＣＲＡＨＮ）是由多个ＣＲ设备以无中心方式形成的自组织网络，可具备智能规逡逑划、动态架构、多跳传输等特点，并可由多个功能共存的子网组成，如图１．２。这些ＣＲＮ逡逑系统架构均具有广泛应用价值，支持多用户在临时场景下快速组成分布式移动网络。逡逑ＣＲＮ系统可在不改造已有多用户网络的基础上增加ＣＲ用户进行实现，对用户业务需求逡逑和无线通信环境均有较好的适应性，可在多种应用场景中有效缓解频谱资源稀缺和频谱逡逑利用率低这一已知矛盾［３’４］。逡逑ｈ，邋－邋Ｖ＼邋幻丨邋ｇｌｕ逡逑
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