能效優(yōu)先的認(rèn)知關(guān)鍵技與協(xié)作術(shù)研究無線通信.pdf

1、隨著智能終端的廣泛使用與移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在各行業(yè)中的滲透發(fā)展，移動通信業(yè)務(wù)流量快速增長，從而導(dǎo)致了頻譜資源的極度緊張和通信系統(tǒng)能耗的大幅增加。為此，5G技術(shù)提出將綠色通信作為關(guān)鍵特征之一，掀起了通信與信息領(lǐng)域能效優(yōu)先的無線傳輸技術(shù)研究熱潮。認(rèn)知無線電與協(xié)作通信技術(shù)作為提升頻譜效率的兩種重要手段，同樣也被認(rèn)為是實現(xiàn)綠色通信的潛力技術(shù)。認(rèn)知無線網(wǎng)(Cognitive Radio Networks,CRNs)中結(jié)合協(xié)作傳輸?shù)膮f(xié)作認(rèn)知無線網(wǎng)(Co

2、operative CRNs,CCRNs)，因同時具備提高頻譜利用率與克服衰落效應(yīng)影響的優(yōu)勢，而受到研究人員的強烈關(guān)注。目前，有關(guān)CCRNs的研究工作主要集中在提高次級用戶的接入機會和傳輸吞吐量方面，而這些研究少有從能量效率方面來考慮。在通信行業(yè)低碳發(fā)展需求的大背景下，需要重新從能效角度來審視CCRNs中的協(xié)作感知，協(xié)作傳輸?shù)葐栴}。為此，本論文以CCRNs作為研究對象，開展了以提升系統(tǒng)能量效率為目標(biāo)的協(xié)作感知、協(xié)作傳輸及資源優(yōu)化等關(guān)鍵問

3、題的研究，提出了相應(yīng)的高能效的通信機制與資源分配策略，為實現(xiàn)認(rèn)知與協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能傳輸打下了一定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。具體研究內(nèi)容概述如下：
　　第一，研究了認(rèn)知中繼網(wǎng)的節(jié)能協(xié)作頻譜感知技術(shù)。在次級協(xié)作感知過程中，協(xié)作用戶越多，檢測精度越高。然而，這同時導(dǎo)致更多的感知數(shù)據(jù)量，從而會造成更多的能量開銷及較大的干擾。為了解決這個難題，本文綜合考慮感知能耗與檢測性能，提出了一種差分匯報的自適應(yīng)高能效頻譜檢測機制，推導(dǎo)了該感知機制在瑞利衰落(

4、Rayleigh)信道下的檢測概率、匯報概率和平均感知能耗的解析表達式，并研究了在滿足系統(tǒng)檢測概率下以感知時間為優(yōu)化變量的平均感知能效最大化問題。分析表明，通過合理優(yōu)化感知時間，可使感知性能與能耗之間達到一個均衡點。仿真結(jié)果顯示，所提感知機制對比傳統(tǒng)機制，可顯著改善次級感知能效的同時，而幾乎不帶來檢測性能上的退化。
　　第二，研究了認(rèn)知中繼網(wǎng)的高能效協(xié)作傳輸技術(shù)?，F(xiàn)有認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作傳輸研究大多以資源受限條件下的頻譜效率為設(shè)計目

5、標(biāo)，較少從系統(tǒng)能量效率的角度進行考慮。為此，論文對認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的次級感知與傳輸兩個階段進行分析研究，提出了一種高能效的最佳中繼協(xié)作傳輸機制。其基本思想是在感知階段次級中繼用戶參與協(xié)作感知來提高傳輸機會，在傳輸階段通過選擇最佳協(xié)作用戶輔助次級傳輸以改善通信質(zhì)量，以此提升次級能效?；谠摍C制，論文考慮次級中斷概率為約束條件，以感知時間與功率為優(yōu)化變量，建模了衰落信道下的系統(tǒng)平均能量效率最大化問題。借助詹森(Jensen)不等式，將原問題分

6、解成兩個相對獨立的子問題來分別求解感知時間和功率分配，給出了一種高效的交叉迭代算法得到系統(tǒng)的次優(yōu)解。仿真表明，在系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量要求較高的情況下，與單跳認(rèn)知傳輸相比，所提策略不僅能提升次級傳輸?shù)哪苄?，還可顯著提高次級傳輸?shù)目煽啃浴?br>　　第三，研究了認(rèn)知中繼鏈路的節(jié)能資源分配方案。與現(xiàn)有發(fā)射功率固定條件下的最大化吞吐量問題不同，論文考慮滿足次級傳輸速率要求和總功率兩方面約束，探討了以認(rèn)知中繼鏈路能效最大化為目標(biāo)的子載波傳輸路徑選擇和功率

7、分配問題。論文首先理論證明了該問題是非凸問題且系統(tǒng)能效函數(shù)具有全局唯一最優(yōu)解，然后針對不同情形下的能效優(yōu)化問題進行討論，將非凸問題轉(zhuǎn)換為凸問題，并基于二分輔助梯度上升搜索法提出了一種資源分配的分步求解策略。仿真結(jié)果表明，該策略在保證次級鏈路可靠性的同時，可使傳輸能效達到最佳。此外，實際感知不可避免存在誤差，為此本文還研究了認(rèn)知中繼鏈路在非完美頻譜感知條件下的功率分配問題，利用非線性分式規(guī)劃和拉格朗日對偶理論，逐步把原始問題轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的參

8、數(shù)凸規(guī)劃。在求解過程中，采用逐層求解的思想，提出了一種兩層嵌套迭代優(yōu)化算法，獲得了系統(tǒng)在非完美感知情況下的節(jié)能功率分配方案。
　　第四，研究了異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的高能效協(xié)作傳輸技術(shù)。在協(xié)作傳輸中，主用戶傳輸性能的改善是消耗次級協(xié)作用戶能量換來的，從能效角度來說，這種沒有激勵的合作對次級用戶是不公平的；另外，現(xiàn)有研究大多基于一個隱含的假設(shè)，即主用戶默認(rèn)需要次級用戶參與協(xié)作，而這并非完全必要?？紤]到上述不足，本文針對異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)場景，提出了