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文檔簡(jiǎn)介
1、隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的快速推進(jìn),人們對(duì)以寬帶、移動(dòng)以及物聯(lián)網(wǎng)等泛在應(yīng)用業(yè)務(wù)為代表的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求正迅猛增長(zhǎng),隨之而來(lái)的則是對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的急劇增加。從上世紀(jì)80年代開始商用的第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)到正在部署的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng),無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步.然而,與業(yè)務(wù)和市場(chǎng)應(yīng)用的快速增長(zhǎng)相比,信息與通信技術(shù)的發(fā)展仍顯得相對(duì)滯后,還面臨諸多困難和挑戰(zhàn),如安全性、可擴(kuò)展性、頻譜短缺、服務(wù)質(zhì)量等。
無(wú)線頻譜
2、資源:隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,有限的頻譜資源與快速增長(zhǎng)的頻譜需求之間的矛盾日益尖銳。一方面,在現(xiàn)有固定頻譜分配模式下,當(dāng)前的頻譜資源已經(jīng)基本分配殆盡;另一方面,根據(jù)檢測(cè),已授權(quán)頻段在時(shí)間和空間上的利用效率很不均勻,造成了寶貴的頻譜資源的極大浪費(fèi)。為了緩解上述矛盾,“認(rèn)知無(wú)線電”(CognitiveRadio,CR)的概念于1999年被首次提出,其核心思想就是打破傳統(tǒng)的固定頻譜分配機(jī)制,允許非授權(quán)用戶在不影響授權(quán)用戶的前提下,靈活、動(dòng)
3、態(tài)的進(jìn)行頻譜接入,以提高頻譜資源在時(shí)間和空間上的使用效率。
鏈路可靠性和網(wǎng)絡(luò)連通性:無(wú)線信道固有的時(shí)變特性和無(wú)線電信號(hào)傳輸時(shí)的廣播色散特性、距離衰減特性以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾開放特性,是對(duì)無(wú)線傳輸?shù)目煽啃砸约熬W(wǎng)絡(luò)連通性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn),配備了單一收發(fā)天線的多個(gè)節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作,構(gòu)成虛擬多天線的用戶協(xié)作分集方案(usercooperationdiversity,本文稱為“協(xié)作通信”)被明確提出,其基本思想是系統(tǒng)中的每個(gè)終端
4、都有一個(gè)或者多個(gè)伙伴,協(xié)作伙伴之間在傳輸自己信息的同時(shí)有責(zé)任幫助其他伙伴傳輸信息.這樣,每個(gè)終端在傳輸信息的過(guò)程中,即利用了自己又利用了協(xié)作伙伴的空間信道,從而獲得一定空間分集增益。
可以預(yù)見,未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)必將是一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)共存、多應(yīng)用需求共存、多覆蓋范圍互相滲透的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。以上兩個(gè)方面的矛盾已經(jīng)成為制約整個(gè)無(wú)線通信發(fā)展的主要因素,然而,任何單一的技術(shù)都無(wú)法獨(dú)立解決無(wú)線通信發(fā)展所面臨的困難和挑戰(zhàn)?;诖耍疚娜诤狭苏J(rèn)知
5、無(wú)線電技術(shù)和協(xié)作中繼技術(shù),借助認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可以有效提升頻譜資源的利用率,利用協(xié)作中繼技術(shù)可提升無(wú)線傳輸?shù)目煽啃院彤悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連通性。前者從挖掘系統(tǒng)自由度的角度提升系統(tǒng)有效性,后者從提高分集增益的角度提高系統(tǒng)可靠性。本論文研究認(rèn)知協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇及協(xié)同資源配置理論,旨在通過(guò)理論研究為基于認(rèn)知無(wú)線電和協(xié)作中繼技術(shù)的未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),為網(wǎng)絡(luò)性能分析與比較提供理論依據(jù),對(duì)以中繼選擇和載波分配為代表的無(wú)線資源管理協(xié)議設(shè)
6、計(jì)提供理論和算法支撐.本論文研究的場(chǎng)景從單用戶協(xié)作中繼無(wú)線網(wǎng)絡(luò)逐步擴(kuò)展到多用戶認(rèn)知協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò),所研究的問(wèn)題從中繼選擇算法設(shè)計(jì)到聯(lián)合中繼選擇與信道分配算法設(shè)計(jì).在研究方法上,本文綜合運(yùn)用了組合優(yōu)化理論、人工智能算法、凸優(yōu)化等理論和方法.本論文中所研究的問(wèn)題建模之后都是0-1整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,基于分支定界算法框架和其他優(yōu)化理論可以設(shè)計(jì)全局最優(yōu)算法,這些算法可作為其他算法的性能參考.當(dāng)全局最優(yōu)算法的復(fù)雜度仍較高時(shí),本文設(shè)計(jì)了一些啟發(fā)式算法用于降
7、低復(fù)雜度.對(duì)于變量之間無(wú)耦合關(guān)系的問(wèn)題,本文主要基于遺傳算法進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)(如第二章);對(duì)變量之間互相耦合的問(wèn)題,遺傳算法不再適用,針對(duì)此類問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了其他的啟發(fā)式算法(如第三章).對(duì)最優(yōu)算法的復(fù)雜度已經(jīng)非常低的,不再設(shè)計(jì)其他算法(如第四章).本論文的研究工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于認(rèn)知無(wú)線電的中繼與協(xié)同通信研究”(編號(hào):60832008)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作多媒體通信理論研究與實(shí)現(xiàn)”(編號(hào):
8、61061122)的支持.本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
1.研究了協(xié)作中繼無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇與協(xié)同資源配置理論.首先研究了單信源-多中繼-單信宿的單用戶場(chǎng)景,中繼節(jié)點(diǎn)采用兩跳放大轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)處理方式,以最大化信宿端的信噪比為目標(biāo)函數(shù)時(shí)的多中繼選擇算法.針對(duì)本問(wèn)題,本文基于分支定界框架,借助線性凸化放松技術(shù),設(shè)計(jì)了具有全局最優(yōu)性能的多中繼選擇算法;為了降低運(yùn)算復(fù)雜度,本文設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)遺傳算法的多中繼選擇算法,該算法可以快速找到
9、最優(yōu)解.針對(duì)多信源-多兩跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼-多信宿場(chǎng)景下的中繼選擇與載波分配問(wèn)題,本文將中繼選擇和載波分配空間進(jìn)行映射變換,通過(guò)對(duì)染色體編碼方案以及選擇、交叉、變異等3個(gè)核心遺傳運(yùn)算步驟的設(shè)計(jì),本文提出了基于遺傳算法的中繼選擇與信道分配策略.本創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第二章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的4、5和6.
2.研究了單用戶認(rèn)知協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇算法.該認(rèn)知協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由單個(gè)主用戶對(duì)-單個(gè)次用戶對(duì)-多個(gè)次用戶中繼組成,其中由單次
10、用戶對(duì)-多次用戶中繼節(jié)點(diǎn)組成的次用戶網(wǎng)絡(luò)工作在主用戶對(duì)的收發(fā)區(qū)域內(nèi).次用戶采用underlay的頻譜接入方式與主用戶共享頻譜資源,次用戶中繼節(jié)點(diǎn)采用兩跳放大轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式,在滿足主用戶干擾溫度限制的前提下,通過(guò)中繼選擇,最大化次用戶對(duì)之間的信道容量。當(dāng)次用戶信宿節(jié)點(diǎn)采用最大比合并方式時(shí),該問(wèn)題被建模成為一個(gè)0-1背包問(wèn)題,基于貪婪策略和最優(yōu)單中繼選擇算法,本文設(shè)計(jì)了一種混合中繼選擇算法,仿真結(jié)果表明該算法可以克服貪婪算法在平均選中的中繼
11、節(jié)點(diǎn)數(shù)少于1時(shí)的性能缺陷且總能取到最優(yōu)或近似最優(yōu)性能。當(dāng)次用戶信宿節(jié)點(diǎn)采用等增益合并方式時(shí),該問(wèn)題建模為一個(gè)帶約束的0-1非線性非凸整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,基于非凸優(yōu)化理論,本文首先設(shè)計(jì)了一個(gè)能以任意0到1之間精度要求取到全局最優(yōu)值的多中繼選擇算法,為進(jìn)一步降低復(fù)雜度,本文設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化算法及具有二次方復(fù)雜度的迭代算法,仿真結(jié)果表明這些次優(yōu)算法可在輕微性能損失下快速完成迭代過(guò)程并取到近似最優(yōu)解。本創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第三章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的1、2和3
12、。
3.研究了多用戶認(rèn)知協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇與載波分配問(wèn)題。本文考慮的多用戶場(chǎng)景有多主用戶對(duì)-多次用戶對(duì)-多次用戶中繼組成,次用戶網(wǎng)絡(luò)采用underlay動(dòng)態(tài)頻譜接入模式,次用戶中繼節(jié)點(diǎn)采用兩跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)處理方式,在滿足主用戶干擾溫度限制的條件下,通過(guò)設(shè)計(jì)中繼選擇和載波分配算法以最大化次用戶系統(tǒng)的信道容量和。該問(wèn)題被建模成為一個(gè)帶復(fù)雜約束的非凸優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)問(wèn)題等價(jià)轉(zhuǎn)化本文把兩個(gè)二維0-1系數(shù)矩陣的聯(lián)合配置問(wèn)題轉(zhuǎn)化
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