认知无线网络资源管理若干关键技术研究

论文摘要

随着无线通信技术的迅猛发展,出现了大量新的无线接入技术及无线数据业务应用,无线频谱的需求量急剧增加,这将导致频谱资源变得越来越“短缺”。而调查研究表明在当前固定频谱分配策略下无线频谱资源的利用率非常低,这又造成极大的“浪费”。因此,无线频谱资源“短缺”与“浪费”之间的矛盾日趋严重。认知无线电技术允许认知用户在不影响授权用户正常工作的前提下动态使用授权频段,实现频谱资源的高效利用,被认为是解决上述矛盾的一种有效途径,已成为当前的研究热点。在认知无线网络中,无线资源管理是保证授权用户性能不受影响,提升认知网络吞吐量及能量效率等性能的一种有效手段。本论文针对认知无线网络资源管理中的频谱感知、具有QoS保障的用户接入、以及认知femtocell网络中的功率控制等关键技术展开研究,提出了相应的创新性解决机制,并通过详细的理论分析和计算机仿真对所提算法的性能进行了验证。本论文的主要工作和创新点包括三个方面,总结如下：1)分别针对三种不同的网络场景提出了相应的基于Lempel-Ziv预测算法的频谱感知机制。在单用户多频段场景中,预测各频段的可用概率,通过优化频谱感知顺序来减少感知时间及感知过程中的能量消耗,增加数据传输时间及认知用户吞吐量。在采用窄带频谱感知技术的多用户多频段场景中,首先将系统所有频段划分为若干个频段组,然后预测各频段组内可用频段的个数及概率,通过优化参与频谱感知的认知用户数来达到感知能量消耗和认知网络吞吐量之间折中的目的。在采用基于压缩感知的宽带频谱感知技术的多用户多频段场景中,预测各个具有不同特性频段的稀疏度及概率,通过优化参与频谱感知的认知用户数来达到感知精确度和感知能量消耗间折中的目的。最后,仿真结果验证了所提出控制机制对频谱感知性能的提升。2)基于离散时间马尔科夫链提出了具有QoS保障的用户接入方案。综合考虑授权用户和认知用户的频谱使用情况,利用离散时间马尔科夫链对其进行建模,更符合按照时隙方式工作的实际网络场景。分析系统的状态转移概率以及强制中断概率,提出了三种考虑不同时间尺度（一个时隙、业务平均服务时间、业务请求服务时间）内中断概率的用户接入方案,改善接入网络认知用户的强制中断概率性能。最后,仿真结果验证了所提出的用户接入方案可以显著改善认知用户的强制中断概率性能,为认知用户提供一定的QoS保障。3)针对认知femtocell网络提出了一种能量有效的资源管理策略。将认知无线电技术和femtocell技术结合起来,以能量高效传输为目标考虑了认知femtocell网络中的功率控制问题。分别将独立femtocell网络和具有相关性femtocell网络的功率控制问题建模为最优化问题和非协作博弈问题,并提出了相应的基于梯度的迭代算法进行求解。分析宏蜂窝网络收益函数的渐进特性,并据此求出频谱使用价格的近似解,大大降低了所提资源管理策略的计算复杂度。最后,利用计算机仿真方法验证了所提迭代算法的收敛性,表明了所提资源管理策略的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 无线频谱资源使用现状
• 1.1.2 提高频谱利用效率的方法
• 1.1.3 认知无线电及认知无线网络的发展
• 1.2 研究现状及意义
• 1.2.1 认知无线网络的主要研究领域
• 1.2.2 认知无线网络资源管理研究现状
• 1.2.3 认知无线网络结合femtocell技术的研究
• 1.3 论文主要工作和章节安排
• 1.3.1 本文的主要贡献
• 1.3.2 本文的章节安排
• 参考文献
• 第二章 认知无线网络资源管理关键技术概述
• 2.1 引言
• 2.2 认知无线网络频谱感知
• 2.2.1 频谱感知工作模式
• 2.2.2 物理层频谱感知
• 2.2.3 MAC层频谱感知
• 2.3 认知无线网络用户接入控制
• 2.3.1 不考虑认知用户QoS的用户接入控制
• 2.3.2 具有QoS保障的用户接入控制
• 2.4 认知无线网络频谱共享
• 2.4.1 不同网络结构下的频谱共享
• 2.4.2 不同接入技术下的频谱共享
• 2.4.3 不同频谱分配方式下的频谱共享
• 2.5 认知无线网络功率控制
• 2.5.1 集中式功率控制
• 2.5.2 分布式功率控制
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 认知无线网络频谱感知机制
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.2.1 网络场景
• 3.2.2 问题建模
• 3.3 频谱感知机制
• 3.3.1 单用户多频段场景下的频谱感知机制
• 3.3.2 采用窄带频谱感知技术时多用户多频段场景的频谱感知机制
• 3.3.3 采用宽带频谱感知技术时多用户多频段场景的频谱感知机制
• 3.4 仿真结果与性能分析
• 3.4.1 仿真场景设置
• 3.4.2 性能分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 认知无线网络具有QoS保障的用户接入
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 网络场景
• 4.2.2 问题建模
• 4.2.3 离散时间马尔科夫链
• 4.3 基于离散时间马尔科夫链的动态频谱接入机制
• 4.3.1 系统状态分析
• 4.3.2 状态转移概率分析
• 4.3.3 系统中断概率分析
• 4.3.4 接纳控制方案
• 4.4 仿真结果与性能分析
• 4.4.1 仿真场景设置
• 4.4.2 性能分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 认知FEMTOCELL网络能量有效的无线资源管理
• 5.1 引言
• 5.2 网络场景
• 5.3 能量有效的资源管理策略
• 5.3.1 问题建模
• 5.3.2 独立femtocell网络的功率控制
• 5.3.3 具有相关性femtocell网络的功率控制
• 5.3.4 宏基站频谱使用价格的确定
• 5.3.5 复杂度分析
• 5.4 仿真结果与性能分析
• 5.4.1 仿真场景设置
• 5.4.2 性能分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 论文的工作总结
• 6.2 下一步研究计划
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果