認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源優(yōu)化理論研究.pdf

1、隨著人們生活水平的逐步提高，對無線通信服務(wù)的要求也從單一的語音通信發(fā)展為更為豐富的多媒體數(shù)據(jù)通信，這就使得對于無線頻譜資源的需求越來越大。但現(xiàn)有的頻譜管理政策是基于固定分配、授權(quán)使用的方式，由政府的無線電管理部門對頻譜資源統(tǒng)一分配，以美國的3kHz～300GHz頻段為例，該頻段已經(jīng)被劃分授權(quán)給不同的服務(wù)業(yè)務(wù)，可供分配使用的空白頻段所剩無幾。同時(shí)，根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FederalCommunication Committee，F(xiàn)CC

2、)的報(bào)告，對頻譜資源的利用隨時(shí)間和地域的不同存在很大的差異性，很多頻段的頻譜利用率不高。為了解決可用頻譜資源匱乏與頻譜利用率不高的矛盾，“認(rèn)知無線電”(Cognitive Radio，CR)技術(shù)憑借其“靈敏的頻譜感知、智能的頻譜接入”等特性受到人們的廣泛關(guān)注，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文主要研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的無線資源分配問題。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)，我們采用不同的頻譜共享模式，分別研究了認(rèn)知蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知多載波網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知傳感器網(wǎng)

3、絡(luò)中的功率控制、載波分配和時(shí)隙調(diào)度等資源優(yōu)化問題。通過數(shù)學(xué)建模，我們將所研究的問題建模為凸優(yōu)化問題，利用凸優(yōu)化理論與對偶分解理論對問題進(jìn)行求解，以求得對無線資源分配的最優(yōu)算法。本論文主要有以下幾項(xiàng)貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)：
　　 ⑴研究了認(rèn)知蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中多用戶功率控制問題。認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)采用中心式蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，認(rèn)知用戶以Underlay頻譜共享模式與主要用戶共享授權(quán)頻段，并以碼分多址(Code Division Multiple Acc

4、ess，CDMA)方式接入到認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)。我們以最大化認(rèn)知用戶的總信道容量為研究目標(biāo)，同時(shí)滿足主要用戶對干擾功率的要求。由于初始問題的建模是一個(gè)非線性、非凸優(yōu)化問題，不能保證最終的優(yōu)化結(jié)果為全局最優(yōu)，我們利用幾何規(guī)劃(Geometric Programming，GP)理論將這一非線性、非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為非線性、凸優(yōu)化的問題。同時(shí)由于干擾信道中認(rèn)知用戶之間效用函數(shù)的優(yōu)化變量相互耦合，這樣不便于進(jìn)行分布式求解，我們利用耦合分解方法和對偶分解

5、理論將系統(tǒng)的總優(yōu)化問題分解為各個(gè)認(rèn)知用戶的子優(yōu)化問題，并保證了最終解的全局最優(yōu)性。
　　 ⑵研究了在認(rèn)知多載波網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶的載波與功率分配算法.我們根據(jù)Overlay與Underlay兩種頻譜共享模式的特點(diǎn)，提出了一種混合機(jī)會頻譜接入(HybridOpportunistic Spectrum.Access，H-OSA)算法，即認(rèn)知用戶不但可以接入主要用戶的“空閑”信道，還可以在保證主要用戶干擾約束的條件下接入“占用”信道，這樣

6、既可以有效地使用頻譜空洞資源又可以最大限度地利用主要用戶的容忍門限，從而最大限度地提高頻譜利用率。我們首先在單認(rèn)知用戶系統(tǒng)中分析了混合機(jī)會頻譜接入算法，通過對偶分解理論將所建模問題分解為多個(gè)子問題，從而得出認(rèn)知用戶在各個(gè)載波信道上的功率最優(yōu)值；接著我們分別在認(rèn)知多載波網(wǎng)絡(luò)下行鏈路與上行鏈路環(huán)境中分析了混合機(jī)會頻譜接入算法，推導(dǎo)出在該算法下最優(yōu)的多用戶載波分配與功率控制策略；最后，當(dāng)考慮認(rèn)知用戶對主要用戶的干擾信道狀態(tài)信息為非理想信道狀態(tài)

7、信息時(shí)，我們分析了混合機(jī)會頻譜接入算法的性能變化。
　　 ⑶研究了在認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于能量有效性的時(shí)隙調(diào)度與功率控制算法。認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)采用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要用戶與認(rèn)知用戶成對存在且在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)分布。研究目標(biāo)為在保證主要用戶與認(rèn)知用戶的QoS條件下，最小化認(rèn)知用戶的傳輸功率。通過“頻譜租借”方式，主要用戶在滿足自己最小傳輸速率的前提下將剩余傳輸時(shí)隙分配給認(rèn)知用戶，而認(rèn)知用戶采用時(shí)分多址(Time Division M