协同及多信道场景下的认知无线网络资源分配研究

发布时间：2017-03-29 16:07

  本文关键词：协同及多信道场景下的认知无线网络资源分配研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：未来无线通信将面临移动数据量爆发增长、连接设备数目海量、新业务新应用不断涌现等局面,这些都将对无线频谱资源提出新的需求和挑战。研究表明目前的静态频谱接入方式无法高效利用稀缺的频谱资源,存在频谱空闲的弊端。与此同时,认知无线电技术能够使得非授权用户通过对周围环境的感知决策,在授权用户允许的范围内以动态接入的方式使用授权频段,从而打破了静态接入的严格限制,提高了频谱利用效率,受到业界的广泛关注和研究。在基于认知无线电技术的认知无线网络中,资源分配是一个亟待解决的重要问题,包括如何设计高效的次用户频谱感知机制,如何实现次用户对授权频段的高效利用,如何将传输资源在多用户间合理分配,以及各用户间如何进行干扰管理等问题。本文针对认知无线网络的三种网络场景,结合不同的动态接入方式,分别研究集中式单跳协同认知无线网络、集中式多跳多信道认知无线网络,以及分布式多跳多信道认知无线网络中的资源分配问题。本文的主要贡献如下：·在基于协同传输的集中式单跳认知无线网络中,提出了一种中继选择、次用户传输机会分配、功率分配的联合资源优化方案。方案通过放宽非中继次用户的频谱使用权限,改善频谱使用灵活性及使用效率,增加多用户分集增益,从而提升次级网络的吞吐量。同时,针对次用户能量受限的情况,考虑网络的长时平均性能优化,即在保障主网络传输利益、满足次网络长时稳定且符合次用户能量约束的前提下,最大化次级网络的长时平均吞吐量。借助Lyapunov优化理论,得到长时优化模型的瞬时求解算法。该算法首先针对功率给定的简化场景,得出最优的瞬时资源分配算法；并在此基础上,针对功率待定的复杂模型,通过数学变形得到最优解。最后,就算法的信令交互开销、复杂度等性能进行了分析。·在基于探测频谱空洞的集中式多跳多信道多网卡认知无线网络中,提出了次用户的路由、信道、网卡多维资源联合优化方案。方案利用链路-网卡-信道冲突干扰图来描述多信道多网卡场景中信道与网卡的相互影响,并在此基础上证明了保证无干扰无冲突传输的资源分配充分条件,利用该充分条件能够避免传统干扰分析方法中因寻找所有极大独立集所带来的高算法复杂度。同时,考虑到次用户传输的可分层视频编码业务的编码特点,在资源有限的情况下优先保证视频业务的基础层传输,并利用公平因子实现基于公平性考虑的次级网络吞吐量最优化。·在上述研究基础上,进一步提出了多跳多信道多网卡认知无线网络在无中心控制节点场景下的分布式资源分配方案。方案借助网络效用最大化理论及拉格朗日对偶变化,将资源分配优化模型的求解转化为对其对偶问题的求解,并利用分解算法,将对偶问题分解为多个优化子问题,从而得到可由各次用户及链路根据局部信息分布式独立求解的优化子问题。同时,方案针对多路径传输环境下对偶问题解转化为原问题解时出现的解的震荡问题,利用Proximal Optimization方法对优化模型进行数学变形,从而保证解的唯一性。最后,通过仿真验证分析算法性能。
【关键词】：认知无线网络 动态频谱接入 协同通信 多信道多网卡 联合资源分配
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 缩略语对照表11-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 认知无线电技术及认知无线网络17-22
• 1.2.1 认知无线电的定义17-20
• 1.2.1.1 Mitola博士的定义17-18
• 1.2.1.2 FCC的定义18-19
• 1.2.1.3 Haykin教授的定义19-20
• 1.2.2 动态频谱接入20-21
• 1.2.3 认知无线网络21-22
• 1.3 认知无线网络资源分配难点问题及本文研究动机22-25
• 1.3.1 集中式单跳认知无线网络难点问题23-24
• 1.3.2 集中式多跳认知无线网络难点问题24-25
• 1.3.3 分布式多跳认知无线网络难点问题25
• 1.4 本文主要研究成果及结构安排25-27
• 第二章 集中式单跳协同认知无线网络中的资源分配问题27-53
• 2.1 引言27-30
• 2.2 网络模型30-32
• 2.3 资源分配优化问题建模32-37
• 2.3.1 中继选择约束33
• 2.3.2 主次用户的协同中继约束33-34
• 2.3.3 次用户传输机会分配约束34
• 2.3.4 次用户队列稳定约束34-35
• 2.3.5 次用户能量约束35-36
• 2.3.6 目标函数36
• 2.3.7 资源分配问题优化模型36-37
• 2.4 SUM瞬时求解算法37-47
• 2.4.1 次用户准入控制子问题37-38
• 2.4.2 SAP集中控制子问题38-42
• 2.4.2.1 功率给定的简化场景39-40
• 2.4.2.2 功率待定的复杂场景40-42
• 2.4.3 求解算法性能分析42-47
• 2.5 仿真分析47-52
• 2.5.1 仿真设置47
• 2.5.2 性能对比47-52
• 2.6 本章小结52-53
• 第三章 集中式多跳多信道认知无线网络中的资源分配问题53-73
• 3.1 引言53-55
• 3.2 网络模型55-58
• 3.2.1 网络模型55-56
• 3.2.2 基于链路-信道-网卡的冲突干扰图56-58
• 3.3 联合资源分配问题的数学建模及求解58-65
• 3.3.1 目标函数58-59
• 3.3.2 信道、网卡资源联合分配的约束条件59-61
• 3.3.3 基于SVC视频业务编码特性的速率约束条件61
• 3.3.4 路由选择的约束条件61-63
• 3.3.4.1 多路径传输路由约束62
• 3.3.4.2 单路径传输路由约束62-63
• 3.3.5 联合资源分配问题的优化模型63-65
• 3.3.5.1 多路径场景下的优化模型63-64
• 3.3.5.2 单路径场景下的优化模型64-65
• 3.4 仿真分析65-71
• 3.4.1 仿真设置65
• 3.4.2 性能分析65-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第四章 分布式多跳多信道认知无线网络中的资源分配问题73-91
• 4.1 引言73-74
• 4.2 网络模型及问题建模74-77
• 4.2.1 网络模型74-75
• 4.2.2 联合资源分配约束条件75-76
• 4.2.2.1 多路径传输路由约束75
• 4.2.2.2 QoS保障约束75-76
• 4.2.2.3 链路容量约束76
• 4.2.2.4 保证无干扰无冲突传输的约束条件76
• 4.2.3 网络效益最大化资源分配问题建模76-77
• 4.3 Proximal Optimization方法及分解算法77-83
• 4.3.1 Proximal Optimization方法78-79
• 4.3.2 分解算法79-83
• 4.4 仿真分析83-89
• 4.4.1 仿真设置83
• 4.4.2 性能对比83-89
• 4.5 本章小结89-91
• 第五章 总结与展望91-95
• 5.1 全文总结91-92
• 5.2 后续工作展望92-95
• 参考文献95-105
• 致谢105-107
• 作者简介107-108

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  本文关键词：协同及多信道场景下的认知无线网络资源分配研究，由笔耕文化传播整理发布。

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