協(xié)同及多信道場(chǎng)景下的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)資源分配研究.pdf

1、未來無線通信將面臨移動(dòng)數(shù)據(jù)量爆發(fā)增長(zhǎng)、連接設(shè)備數(shù)目海量、新業(yè)務(wù)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)等局面，這些都將對(duì)無線頻譜資源提出新的需求和挑戰(zhàn)。研究表明目前的靜態(tài)頻譜接入方式無法高效利用稀缺的頻譜資源，存在頻譜空閑的弊端。與此同時(shí)，認(rèn)知無線電技術(shù)能夠使得非授權(quán)用戶通過對(duì)周圍環(huán)境的感知決策，在授權(quán)用戶允許的范圍內(nèi)以動(dòng)態(tài)接入的方式使用授權(quán)頻段，從而打破了靜態(tài)接入的嚴(yán)格限制，提高了頻譜利用效率，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。在基于認(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，資

2、源分配是一個(gè)亟待解決的重要問題，包括如何設(shè)計(jì)高效的次用戶頻譜感知機(jī)制，如何實(shí)現(xiàn)次用戶對(duì)授權(quán)頻段的高效利用，如何將傳輸資源在多用戶間合理分配，以及各用戶間如何進(jìn)行干擾管理等問題。本文針對(duì)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的三種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，結(jié)合不同的動(dòng)態(tài)接入方式，分別研究集中式單跳協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)、集中式多跳多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，以及分布式多跳多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問題。
　　本文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　在基于協(xié)同傳輸?shù)募惺絾翁J(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，提

3、出了一種中繼選擇、次用戶傳輸機(jī)會(huì)分配、功率分配的聯(lián)合資源優(yōu)化方案。方案通過放寬非中繼次用戶的頻譜使用權(quán)限，改善頻譜使用靈活性及使用效率，增加多用戶分集增益，從而提升次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。同時(shí)，針對(duì)次用戶能量受限的情況，考慮網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)時(shí)平均性能優(yōu)化，即在保障主網(wǎng)絡(luò)傳輸利益、滿足次網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定且符合次用戶能量約束的前提下，最大化次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)時(shí)平均吞吐量。借助Lyapunov優(yōu)化理論，得到長(zhǎng)時(shí)優(yōu)化模型的瞬時(shí)求解算法。該算法首先針對(duì)功率給定的簡(jiǎn)化場(chǎng)景

4、，得出最優(yōu)的瞬時(shí)資源分配算法;并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)功率待定的復(fù)雜模型，通過數(shù)學(xué)變形得到最優(yōu)解。最后，就算法的信令交互開銷、復(fù)雜度等性能進(jìn)行了分析。
　　在基于探測(cè)頻譜空洞的集中式多跳多信道多網(wǎng)卡認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，提出了次用戶的路由、信道、網(wǎng)卡多維資源聯(lián)合優(yōu)化方案。方案利用鏈路-網(wǎng)卡-信道沖突干擾圖來描述多信道多網(wǎng)卡場(chǎng)景中信道與網(wǎng)卡的相互影響，并在此基礎(chǔ)上證明了保證無干擾無沖突傳輸?shù)馁Y源分配充分條件，利用該充分條件能夠避免傳統(tǒng)干擾分析方

5、法中因?qū)ふ宜袠O大獨(dú)立集所帶來的高算法復(fù)雜度。同時(shí)，考慮到次用戶傳輸?shù)目煞謱右曨l編碼業(yè)務(wù)的編碼特點(diǎn)，在資源有限的情況下優(yōu)先保證視頻業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)層傳輸，并利用公平因子實(shí)現(xiàn)基于公平性考慮的次級(jí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量最優(yōu)化。
　　在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了多跳多信道多網(wǎng)卡認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在無中心控制節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下的分布式資源分配方案。方案借助網(wǎng)絡(luò)效用最大化理論及拉格朗日對(duì)偶變化，將資源分配優(yōu)化模型的求解轉(zhuǎn)化為對(duì)其對(duì)偶問題的求解，并利用分解算法，將對(duì)偶問題