认知无线网络中的高效频谱利用和性能分析

发布时间：2017-03-30 03:16

  本文关键词：认知无线网络中的高效频谱利用和性能分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在智能手机、平板电脑等设备以及社交网络、流媒体、在线游戏等业务的驱动下,移动通信网络的流量呈指数级增长。在这种情况下第五代移动通信技术(fifth generation mobile communications,5G)应运而生。5G的重要需求之一是容量1000倍增长,容量增长的途径主要有异构组网、新频谱资源、高效传输技术等,其中又以异构组网和新频谱资源对容量增长的贡献最为显著。而认知无线网络即致力于解决这两个问题,以改善频谱利用效率、提升无线网络容量为目标。认知无线网络可以获取多域(无线域、网络域、政策域、用户域等)的环境和资源信息,即认知信息。在准确快速的认知信息获取和传递的前提下,认知无线网络通过学习、决策和执行来重构网络参数,通信协议,网络拓扑,甚至硬件结构,从而可以适应动态变化的环境,提升认知无线网络的容量。具体到本文侧重的无线域的频谱资源,快速准确的认知信息获取和传递是认知无线网络高效频谱利用的前提。高效地接入无线域的空间、时间、角度、高度等维度的频谱机会是实现认知无线网络高效频谱利用的重要方法。而容量提升是认知无线网络高效频谱利用的目标。因此为了实现认知无线网络的高效频谱利用,本文首先研究认知信息获取和传递,在此基础上研究多维频谱接入,并且分析多维频谱接入带来的容量提升。本文主要研究内容如下：(1) 认知无线网络中认知信息表征、度量和传递理论。为了实现快速准确的认知信息获取和传递,本文研究认知信息的表征和度量。首先研究认知信息的表征理论,针对空间和时问维度的认知信息,使用“地理熵”和“时间熵”描述空时频谱状态的不确定性,使用“无线电参数误差”描述认知信息表征的错误率,并且分析地理熵、时问熵、无线电参数误差的数学性质。其次建立认知信息度量理论,使用“认知信息量”统一量化多维认知信息,得到认知信息量与频谱利用率、系统干扰概率的关系,并将认知信息量应用于频谱检测的参数优化中。最后本文基于认知信息表征理论设计快速准确的认知信息传递方案,实现移动环境下的认知信息高效传递。(2) 认知无线网络空时二维频谱机会。空时频谱接入可以提升认知无线网络的容量,但是在之前的研究中空时频谱空洞的位置计算一直是个空白。本文为空时频谱检测和接入设计了“黑白灰”三区划分的架构。其中黑区只允许主用户部署,灰区的次用户有时间维度频谱机会,而白区的次用户有空间维度频谱机会。本文从理论上得到了三区的边界,获得了灰区和白区之间的过渡区存在的条件,并且通过动态频谱租赁的视角得到最优的黑区半径。最后,本文仿真展示了三区半径和系统参数的关系,并且验证了空时频谱接入可以填补主网络的“容量盲区”,提升整个区域的容量。(3) 认知无线网络角度维频谱机会。为了扩展认知无线网络的传输自由度,提升认知无线网络的容量,本文研究认知无线网络利用角度维频谱机会的容量尺度律。本文首先分析角度维度频谱机会的统计特性,得到角度维度频谱机会的概率密度函数及期望。然后考察次网络利用角度维度频谱机会的情况下对主网络的影响,基于此设计了主次网络的网络协议,以保证二者可以正常工作。最后本文分析采用方向性传输的认知无线网络的容量。这部分的研究证明了：相比于利用空时维度频谱机会的情形,认知无线网络采用角度维度频谱机会可以进一步提升网络容量。(4) 认知无线网络高度维频谱机会。为了进一步提升认知无线网络的容量,本文研究利用高度维传输自由度的认知无线网络容量尺度律,构建3D (Three Dimensional)认知无线网络,以充分利用高度维频谱机会。本文首先设计了3D认知无线网络的网络协议,以保证主次网络正常工作。然后本文通过分析3D认知无线网络的路由密度与干扰,得到3D认知无线网络的容量尺度律,理论证明了：相比认知无线网络的二维部署,认知无线网络利用高度维度的频谱机会可以提升网络容量。最后对本文的主要工作进行了总结,并且对未来研究进行了展望。
【关键词】：认知无线网络 认知信息表征和传递 三区划分 方向性传输 3D认知无线网络
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-50
• 1.1 研究背景及意义12-22
• 1.1.1 认知无线网络的研究背景12-15
• 1.1.2 认知无线网络的主要研究内容15-22
• 1.2 研究现状22-27
• 1.2.1 认知信息的获取和传递22-24
• 1.2.2 多维频谱空洞检测与接入24-26
• 1.2.3 认知无线网络容量分析26-27
• 1.3 主要研究内容及创新27-31
• 1.4 论文组织结构31-32
• 参考文献32-50
• 第二章 认知无线网络中认知信息表征、度量与传递50-110
• 2.1 研究背景50-52
• 2.2 认知信息的表征理论52-72
• 2.2.1 空间维度认知信息53-65
• 2.2.2 时间维度认知信息65-70
• 2.2.3 空时表征的对偶性70-72
• 2.3 认知信息度量方法72-83
• 2.3.1 认知信息量的概念72-74
• 2.3.2 认知信息量的性质74-81
• 2.3.3 认知信息量的应用81-83
• 2.4 认知信息传递方法83-95
• 2.4.1 理论分析84-87
• 2.4.2 算法设计87-95
• 2.5 仿真结果与分析95-104
• 2.5.1 认知信息表征方法95-97
• 2.5.2 认知信息度量97-99
• 2.5.3 认知信息传递方法99-104
• 2.6 结论104
• 参考文献104-110
• 第三章 认知无线网络空时二维频谱机会110-146
• 3.1 研究背景110-112
• 3.2 系统模型112-114
• 3.3 灰区的时间维度频谱机会114-123
• 3.3.1 精确结果115-119
• 3.3.2 基于中心极限定理的结果119-122
• 3.3.3 噪声不确定性对灰区半径的影响122-123
• 3.4 白区的空间维度频谱机会123-128
• 3.4.1 精确法123-125
• 3.4.2 补充法125
• 3.4.3 白区的半径125-127
• 3.4.4 噪声不确定性对白区半径的影响127-128
• 3.5 三区的半径128-132
• 3.5.1 单主用户网络的三区半径128
• 3.5.2 多主用户网络的三区半径128-130
• 3.5.3 最优的黑区半径130-131
• 3.5.4 过渡区的存在性131-132
• 3.6 仿真结果与分析132-142
• 3.6.1 三区的性能132
• 3.6.2 灰区的半径132-134
• 3.6.3 白区的半径134-136
• 3.6.4 过渡区136-138
• 3.6.5 最优的黑区半径138-142
• 3.6.6 典型IEEE 802.22的应用场景142
• 3.7 结论142
• 参考文献142-146
• 第四章 认知无线网络角度维频谱机会146-180
• 4.1 研究背景146-149
• 4.2 网络协议和定义149-161
• 4.2.1 主次用户的网络协议149-152
• 4.2.2 链路容量、吞吐量容量和连通性的定义152-153
• 4.2.3 角度维度频谱机会的定义153-160
• 4.2.4 允许次用户等待的网络连通性分析160-161
• 4.3 认知无线网络采用方向性传输的容量分析161-166
• 4.3.1 主网络的吞吐量161-163
• 4.3.2 次网络的吞吐量：OTOR163
• 4.3.3 次网络的吞吐量：DTOR163-165
• 4.3.4 次网络的吞吐量：OTDR165-166
• 4.3.5 次网络的吞吐量：DTDR166
• 4.4 不允许次用户等待的网络连通性分析166-175
• 4.4.1 次网络在HDP-VDP路由下的连通性167-169
• 4.4.2 次网络在环绕路由下的连通性169-175
• 4.5 结论175-176
• 参考文献176-180
• 第五章 认知无线网络高度维频谱机会180-198
• 5.1 研究背景180-182
• 5.2 系统模型182-183
• 5.2.1 网络模型182
• 5.2.2 信道模型182-183
• 5.3 网络协议183-191
• 5.3.1 主次网络的网络协议183-190
• 5.3.2 允许次用户等待的网络连通性分析190-191
• 5.4 吞吐量尺度定律191-194
• 5.4.1 主网络的吞吐量尺度律191-194
• 5.4.2 次网络的吞吐量尺度律194
• 5.5 结论194-195
• 参考文献195-198
• 第六章 总结与展望198-202
• 6.1 论文总结198-199
• 6.2 未来研究展望199-202
• 缩略语202-204
• 致谢204-208
• 攻读博士期间发表的论文及申请的专利208-210

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 夏志成;罗进文;商艳丽;;第三代移动通信系统频谱效率的研究[J];信息技术;2007年10期

2 黄晓宇;刘望军;;宽带无线通信网络中频谱效率的计算方法[J];中国无线电;2006年01期

3 张R

本文编号：276102