認知協(xié)作無線網絡中的中繼選擇與協(xié)同資源配置理論研究.pdf

1、隨著社會信息化進程的快速推進，人們對以寬帶、移動以及物聯網等泛在應用業(yè)務為代表的移動數據業(yè)務的需求正迅猛增長，隨之而來的則是對無線通信網絡帶寬需求的急劇增加。從上世紀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通信系統(tǒng)，無線移動通信技術取得了長足的發(fā)展和進步.然而，與業(yè)務和市場應用的快速增長相比，信息與通信技術的發(fā)展仍顯得相對滯后，還面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，如安全性、可擴展性、頻譜短缺、服務質量等。
　　 無線頻譜

2、資源:隨著無線通信網絡的快速發(fā)展，有限的頻譜資源與快速增長的頻譜需求之間的矛盾日益尖銳。一方面，在現有固定頻譜分配模式下，當前的頻譜資源已經基本分配殆盡;另一方面，根據檢測，已授權頻段在時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。為了緩解上述矛盾，“認知無線電”(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)的固定頻譜分配機制，允許非授權用戶在不影響授權用戶的前提下，靈活、動

3、態(tài)的進行頻譜接入，以提高頻譜資源在時間和空間上的使用效率。
　　 鏈路可靠性和網絡連通性:無線信道固有的時變特性和無線電信號傳輸時的廣播色散特性、距離衰減特性以及異構網絡中的干擾開放特性，是對無線傳輸的可靠性以及網絡連通性的嚴峻挑戰(zhàn)。為應對此挑戰(zhàn)，配備了單一收發(fā)天線的多個節(jié)點互相協(xié)作，構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)中的每個終端

4、都有一個或者多個伙伴，協(xié)作伙伴之間在傳輸自己信息的同時有責任幫助其他伙伴傳輸信息.這樣，每個終端在傳輸信息的過程中，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。
　　 可以預見，未來的無線通信系統(tǒng)必將是一個多網絡共存、多應用需求共存、多覆蓋范圍互相滲透的異構網絡。以上兩個方面的矛盾已經成為制約整個無線通信發(fā)展的主要因素，然而，任何單一的技術都無法獨立解決無線通信發(fā)展所面臨的困難和挑戰(zhàn)?；诖?，本文融合了認知

5、無線電技術和協(xié)作中繼技術，借助認知無線電技術可以有效提升頻譜資源的利用率，利用協(xié)作中繼技術可提升無線傳輸的可靠性和異構網絡的網絡連通性。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。本論文研究認知協(xié)作無線網絡中的中繼選擇及協(xié)同資源配置理論，旨在通過理論研究為基于認知無線電和協(xié)作中繼技術的未來無線通信系統(tǒng)設計提供理論指導，為網絡性能分析與比較提供理論依據，對以中繼選擇和載波分配為代表的無線資源管理協(xié)議設

6、計提供理論和算法支撐.本論文研究的場景從單用戶協(xié)作中繼無線網絡逐步擴展到多用戶認知協(xié)作無線網絡，所研究的問題從中繼選擇算法設計到聯合中繼選擇與信道分配算法設計.在研究方法上，本文綜合運用了組合優(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題建模之后都是0-1整數規(guī)劃問題，基于分支定界算法框架和其他優(yōu)化理論可以設計全局最優(yōu)算法，這些算法可作為其他算法的性能參考.當全局最優(yōu)算法的復雜度仍較高時，本文設計了一些啟發(fā)式算法用于降

7、低復雜度.對于變量之間無耦合關系的問題，本文主要基于遺傳算法進行了算法設計（如第二章）;對變量之間互相耦合的問題，遺傳算法不再適用，針對此類問題本文設計了其他的啟發(fā)式算法（如第三章）.對最優(yōu)算法的復雜度已經非常低的，不再設計其他算法（如第四章）.本論文的研究工作受到了國家自然科學基金重點項目“基于認知無線電的中繼與協(xié)同通信研究”(編號:60832008)和國家自然科學基金項目“異構無線傳感器網絡中的協(xié)作多媒體通信理論研究與實現”(編號:

8、61061122)的支持.本論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　 1.研究了協(xié)作中繼無線網絡中的中繼選擇與協(xié)同資源配置理論.首先研究了單信源-多中繼-單信宿的單用戶場景，中繼節(jié)點采用兩跳放大轉發(fā)信號處理方式，以最大化信宿端的信噪比為目標函數時的多中繼選擇算法.針對本問題，本文基于分支定界框架，借助線性凸化放松技術，設計了具有全局最優(yōu)性能的多中繼選擇算法;為了降低運算復雜度，本文設計了基于自適應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.針對多信源-多兩跳譯碼轉發(fā)中繼-多信宿場景下的中繼選擇與載波分配問題，本文將中繼選擇和載波分配空間進行映射變換，通過對染色體編碼方案以及選擇、交叉、變異等3個核心遺傳運算步驟的設計，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)新點對應論文第二章的內容和發(fā)表論文列表中的4、5和6.
　　 2.研究了單用戶認知協(xié)作無線網絡中的中繼選擇算法.該認知協(xié)作無線網絡由單個主用戶對-單個次用戶對-多個次用戶中繼組成，其中由單次

10、用戶對-多次用戶中繼節(jié)點組成的次用戶網絡工作在主用戶對的收發(fā)區(qū)域內.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)點采用兩跳放大轉發(fā)的工作方式，在滿足主用戶干擾溫度限制的前提下，通過中繼選擇，最大化次用戶對之間的信道容量。當次用戶信宿節(jié)點采用最大比合并方式時，該問題被建模成為一個0-1背包問題，基于貪婪策略和最優(yōu)單中繼選擇算法，本文設計了一種混合中繼選擇算法，仿真結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)點數少于1時的性能缺陷且總能取到最優(yōu)或近似最優(yōu)性能。當次用戶信宿節(jié)點采用等增益合并方式時，該問題建模為一個帶約束的0-1非線性非凸整數規(guī)劃問題，基于非凸優(yōu)化理論，本文首先設計了一個能以任意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，為進一步降低復雜度，本文設計了簡化算法及具有二次方復雜度的迭代算法，仿真結果表明這些次優(yōu)算法可在輕微性能損失下快速完成迭代過程并取到近似最優(yōu)解。本創(chuàng)新點對應論文第三章的內容和發(fā)表論文列表中的1、2和3

12、。
　　 3.研究了多用戶認知協(xié)作無線網絡中的中繼選擇與載波分配問題。本文考慮的多用戶場景有多主用戶對-多次用戶對-多次用戶中繼組成，次用戶網絡采用underlay動態(tài)頻譜接入模式，次用戶中繼節(jié)點采用兩跳譯碼轉發(fā)的信號處理方式，在滿足主用戶干擾溫度限制的條件下，通過設計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。該問題被建模成為一個帶復雜約束的非凸優(yōu)化問題，通過問題等價轉化本文把兩個二維0-1系數矩陣的聯合配置問題轉化