面向传输优化的认知无线电资源分配问题研究

发布时间：2017-12-05 21:16

  本文关键词：面向传输优化的认知无线电资源分配问题研究

  更多相关文章： 认知无线电 信道分配 中继 能量收集 拍卖

【摘要】：随着移动设备的不断增长和无线通信网络规模的不断扩大,传统的无线电频谱资源静态分配已经不能满足通信需要。而在一些专用通信网络中,某些频谱资源并没有得到充分利用。自2000年以来,认知无线电技术作为一种新兴技术的提出,将有助于提高空间频谱的利用率,同时可以缓解由于无线通信设备的增多导致的频谱饥饿问题。认知无线电技术特征主要表现在非授权用户可以在不干扰授权用户的前提下对授权用户的频谱进行再利用,同时,对于不占用的授权频谱临时分配给非授权用户使用。现有的研究主要集中于研究通过频谱感知、频谱分配、信道编码等技术提高频谱资源的利用率和系统吞吐率。本研究的重点在使用中继、能量收集、拍卖等技术,研究不同认知无线电通信模式下频谱资源的分配,对系统的基本性能进行分析,对系统的吞吐率进行优化。本研究首先介绍认知无线电网络的相关背景知识,包括无线电的频谱分配情况以及认知无线电技术提出的背景,认知无线电技术的定义,主要特征,体系结构以及相关应用场景等。然后,在第二章,总结与本文相关的已有研究工作,在此基础上提出可能的研究方向,具体包括底衬模式下认知无线电网络系统次用户子网络的吞吐率性能研究,底衬模式下次用户网络优先级队列系统性能研究,泛在网络下异构频谱提供者参与的频谱拍卖机制研究以及能量收集次用户节点QoS保障下主用户安全容量问题研究。本文的主要研究内容及贡献有以下四个方面。一、如何高效的分配信道资源,是提高认知无线电系统次用户网络性能的挑战。为了达到这个目的,在底衬式通信模式下,信道分配和功率分配都将会影响到网络的性能,例如吞吐率等。现有的文献大多研究在底衬模式下次用户网络通信的中断概率或者研究中继选择方法,使得次用户网络的吞吐率最大。这些网络模型仅仅包含一个主用户传输对和一个次用户传输对,而忽略了在主用户网络和次用户网络多个传输对共存的情况。在实际应用场景中往往在主用户网络和次用户网络中有多个传输对,如何将主用户使用的信道分配给次用户使用使得网络的性能最优是一个挑战。另外,长距离的传输往往存在着信道衰减,为此,在第三章里,我使用两跳中继节点来提升次用户网络的性能,并定义了信道和功率分配问题,研究最大化次用户网络总吞吐率和最小吞吐率问题。对于次用户网络总吞吐率最大问题,我将问题定义成二分图的匹配问题,并设计了一个基于二分图的最大带权匹配算法的总吞吐率最大算法(STMA)来解决这个问题。对于次用户网络最小吞吐率最大问题,在最优中继分配算法(ORA)基础上,我设计了一个多项式时间复杂度的迭代算法,最优信道分配算法(OCAA)来迭代的将主用户使用的信道分配给次用户使用。仿真实验表明,在次用户发送节点的功率低于主用户的干扰功率阈值下,次用户网络的吞吐率随着次用户的发射功率的增加而增加。当路径衰减因子α=2时,STMA算法比随机算法的性能高出46.67%。而当α=3时,STMA算法比随机算法性能超出13.08%。OCAA算法可以在有限的迭代次数内有效确保次用户传输对的最大-最小公平性并且在大部分的情况下,至少比随机算法性能超出97%。二、在次用户网络中,数据包的转发策略设计也会影响次用户网络的传输性能,例如延迟等。在底衬式认知无线电网络当中,存在主次两种类型的用户,而在次用户网络当中,发送的数据包往往存在优先级。现有的研究集中于研究次用户网络数据包是同构的情况。为此,第四章,在假设次用户网络中高优先级数据包拥有抢占优先级及拥有焦虑等待时间的基础上研究次用户网络数据发送队列的传输性能。我从全局的视角将次用户发送数据包的行为定义成M/M/1+GI排队系统,使用二维状态转移图来表示。最后实验分析了高优先级数据包中途退出的概率以及两种优先级数据包的平均等待时间等。数值实验结果验证了理论分析的正确性,并可以指导系统参数的选择,用于设计高效的MAC层协议。三、作为保证次用户高效传输的频谱资源分配再利用技术之一,频谱拍卖可以激励频谱资源代理人(PO)以及次用户之间进行频谱资源再分配。在现有的频谱拍卖机制当中,每个PO只有一种类型的频谱,或者每个次用户只能够从同一个频谱代理人购买同构的资源。在泛在网中,每个PO拥有异构的频谱资源,例如WiFi,3G。另外,每个次用户可以向同一个PO请求不同种类的频谱资源。现有的方法无法直接针对此场景进行高效的频谱资源分配。为此,在第五章,我设计了一个轻型的组合双拍卖机制来解决这个问题,并提出了贪心算法G-Greedy和基于群体折扣的算法E-Greedy。最后,理论证明了所提出拍卖机制的经济学性质,通过大量实验也验证了提出的算法和已有的算法相比,可以带来更高收益。四、在保障认知无线电网络的高效传输的同时,通信的安全性是一个不可忽视的问题。由于次用户节点大多是移动节点,能量往往受限。为此,具有能量收集功能的节点将能够保障网络通信的连续性。第六章研究在覆盖通信模式下,具有能量收集功能的次用户作为中继节点帮助主用户发送数据,如何在保证次用户自身通信QoS的同时提高主用户通信的安全容量问题。我将问题定义为混合非线性整型规划问题。考虑到求解问题约束条件的特殊性,本研究设计了一个多项式时间的算法SRMA来解决这个问题。实验分析表明,主用户的安全容量随着次用户节点的能量保存率的增高而增大,最优能量保存率与能量收集率成反比关系。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN925

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