认知无线电促进毫微微蜂窝部署的研究

发布时间：2017-04-12 00:07

  本文关键词：认知无线电促进毫微微蜂窝部署的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线蜂窝网络中,通信接入机会和更高服务质量的需求,近三十五年来,持续增长,始终迫使人们去更加高效地利用稀有的频谱资源。最近,认知无线电和毫微微蜂窝的涌现,勾勒出了智能频谱和异构组网的模式,引起了广泛的关注。认知无线电技术,通过尽可能在时间和空间单位上利用浪费的或者未充分利用的频率,来允许无牌设备无缝地与分配频谱许可证持有者共存,被公认为革新的软件定义无线电。在最初设计的宏蜂窝基础架构上,部署毫微微蜂窝,通过缩短发射机和接收机之间的距离,无线链路质量和频谱复用机会都得到了提高。以上两项技术相互渗透和融合,已经成为一种趋势。本文将基于认知无线电技术,来应对毫微微蜂窝覆盖传统宏蜂窝与生俱来的几个关键技术挑战,主要集中在毫微微蜂窝用户的频谱接入,异构毫微微蜂窝网络的两层干扰,和毫微微蜂窝扶助小区边缘宏用户可靠通信的问题。具体内容和创新成果如下。 首先,详细阐释了频谱感知的目的,基本原理,传统方法和分类,认真比较了著名的主要频谱感知方法的优缺点,提出了频谱感知服务器(Spectrum-Cognizing Server: SCS)模型,在传统蜂窝网络通信中,首次明确定位了感知功能的归属实体,提出了区分感知可行性的四种SCS运用。频谱感知服务器能够发挥服务器配置的优势提高单次感知的准确率,可以运用复杂度较高的感知技术,最小化对授权主用户感知时造成的干扰,随之最小化整个网络的感知成本。并且将这个模型推广运用到异构毫微微蜂窝网络,来规划毫微微蜂窝用户的动态频谱接入行为,在与现有网络基础设施和终端设计完全兼容的情况下,SCS使得现有终端可以无缝接入认知毫微微蜂窝网络。 其次,在深刻指出分布式频谱感知方案三大固有问题的前提下,明确提出集中式认知无线电频谱间隙与频谱衬底两种管理模式,用来有效地消除毫微微蜂窝两层干扰。它是适合于上行链路和下行链路传输的干扰抑止方案。在重申了认知环的三大基本任务之后,基于SCS对前两个任务的解决方案,重点研究了第三个任务——发送功率控制和动态频谱管理。结合当今广泛运用的正交频分复用调制技术,在下行链路跨层干扰约束下的可靠通信中,提出了采用认知无线电频谱两层模式的基于次梯度方法的最优功率控制算法和低复杂度次优方案。理论分析和大量数值仿真结果表明,提出的最优算法,在传输速率方面,能媲美其他优化算法的同时降低了复杂度,还优于几款经典功率分配方案和传统的频谱间隙或频谱衬底方案,因为最大化了多载波传输的利用率。相比于最优方案,经典注水,等功率,阶梯比例功率分配,提出的次优方法则更具有吸引力,以较低的复杂度,适中的峰均功率比,拥有了可观的速率,利用了多载波信道条件的优点,取得了复杂度和性能的最佳折中。 第三,详细阐释了毫微微蜂窝的三种接入模式之后,指出自私的毫微微蜂窝很难选择开放模式。进而提出了新颖的效益为驱动的中继框架,以激发自私的毫微微蜂窝基站选择混合接入模式,辅助宏蜂窝基站给其小区边缘的用户提供中继服务,同时避免异构毫微微蜂窝网络中,限制性能提升的主要因素——两层干扰。提出了基于认知无线电频谱拍卖的宏蜂窝基站频谱管理方案。建模了与传输速率,归一化拍卖投标参数,频谱价格,中继补偿因子和毫微微蜂窝接入模式控制参数相关的效益函数。提出了运用古诺博弈来建模毫微微蜂窝基站之间的竞争关系；和采用斯塔克尔伯格大博弈,来建模宏蜂窝基站和多个毫微微蜂窝基站之间的竞争与合作。据了解,是首次将古诺博弈和斯塔克尔伯格博弈结合来规范通信实体之间的交互行为。并且证明了古诺博弈纳什均衡的存在性和唯一性,以及斯塔克尔伯格博弈均衡的存在性。重要的是,提出了实现斯塔克尔伯格均衡的补偿因子和频谱价格的具体确定算法,并且证明了两个算法的收敛性。设计了协议来规划博弈框架的具体细节,围绕三个方面——中继信道质量,频带租赁中继传输比例系数,和价格贴现因子的影响,做了大量的数值仿真,来验证提出方案和算法的有效性。仿真结果表明提出的毫微微蜂窝混合接入机制可以实现双赢,为小区边缘的宏蜂窝用户提供更好的服务质量,毫微微蜂窝用户则能获得更多的频谱准入机会。 本文研究的目的,是激励部署采用集中式认知无线电频谱管理的毫微微蜂窝基站,来适应即将到来的,高速率、低能耗、智能频谱接入的第五代异构蜂窝网络演进的需求。
【关键词】：认知无线电 凸优化 毫微微蜂窝 博弈论 混合接入 干扰消除 纳什均衡 功率分配 频谱感知 斯塔克尔伯格均衡 频谱管理
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 论文的研究背景12-13
• 1.2 认知无线电：频谱利用的革新13-16
• 1.2.1 认知无线电的定义13-14
• 1.2.2 认知无线电之核心14-16
• 1.3 Femotcell：新兴的毫微微蜂窝16-21
• 1.3.1 Femtocells的部署优势17-18
• 1.3.2 Femtocells的技术挑战18-21
• 1.4 论文的研究方法21-25
• 1.4.1 凸优化基本概念21-23
• 1.4.2 博弈论基本概念23-25
• 1.5 论文结构和主要内容25-28
• 2 毫微微蜂窝网络用户频谱接入研究28-54
• 2.1 频谱感知的必要性28-35
• 2.1.1 频谱宝贵的资源28
• 2.1.2 高效利用频谱28-35
• 2.2 频谱感知的基本理论35-37
• 2.2.1 二元假设检验35
• 2.2.2 假设检验的标准35-37
• 2.3 传统感知方案37-43
• 2.3.1 单独频谱感知37-40
• 2.3.2 协作频谱感知40-43
• 2.4 毫微微蜂窝网络频谱动态管理43-53
• 2.4.1 传统频谱感知的挑战45-48
• 2.4.2 服务器接管频谱感知48-49
• 2.4.3 频谱感知服务器的运用49-50
• 2.4.4 频谱感知服务器的优势50-53
• 2.5 本章小结53-54
• 3 毫微微蜂窝网络两层干扰消除研究54-80
• 3.1 传统无线蜂窝网络54-58
• 3.1.1 小区形状和扇区54-55
• 3.1.2 频率复用55-56
• 3.1.3 多址技术56-57
• 3.1.4 干扰57-58
• 3.2 毫微微蜂窝异构网络的兴起58-61
• 3.3 基于CR频谱管理的干扰消除技术61-72
• 3.3.1 毫微微蜂窝干扰消除相关研究62-63
• 3.3.2 两种频谱模式对抗两层干扰63-65
• 3.3.3 系统模型和公式建模65-72
• 3.4 仿真与性能分析72-78
• 3.5 本章小结78-80
• 4 毫微微蜂窝基站混合运行模式研究80-114
• 4.1 毫微微蜂窝运行模式80-86
• 4.1.1 封闭式接入毫微微蜂窝81-82
• 4.1.2 开放式接入毫微微蜂窝82-83
• 4.1.3 混合式接入毫微微蜂窝83-86
• 4.2 基于CR频谱拍卖效益驱动的毫微微蜂窝混合运行模式86-102
• 4.2.1 混合式认知毫微微蜂窝中继相关研究88-89
• 4.2.2 系统模型和公式建模89-93
• 4.2.3 古诺博弈和斯塔克尔伯格博弈93-102
• 4.2.4 混合接入协议102
• 4.3 仿真与性能分析102-112
• 4.3.1 古诺博弈102-106
• 4.3.2 斯塔克尔伯格博弈106-112
• 4.4 本章小结112-114
• 5 总结和展望114-120
• 5.1 论文总结114-116
• 5.2 工作展望116-120
• 5.2.1 高频段宽频压缩感知116-117
• 5.2.2 多天线干扰对齐干扰避免技术117
• 5.2.3 CoMP毫微微蜂窝网络117-119
• 5.2.4 毫微微蜂窝网络多赢家频谱拍卖博弈119-120
• 致谢120-121
• 参考文献121-130
• 附录1 攻读博士学位期间发表学术论文目录130

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本文编号：300262