協(xié)同及多信道場景下的認知無線網(wǎng)絡資源分配研究.pdf

1、未來無線通信將面臨移動數(shù)據(jù)量爆發(fā)增長、連接設備數(shù)目海量、新業(yè)務新應用不斷涌現(xiàn)等局面，這些都將對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，認知無線電技術能夠使得非授權用戶通過對周圍環(huán)境的感知決策，在授權用戶允許的范圍內(nèi)以動態(tài)接入的方式使用授權頻段，從而打破了靜態(tài)接入的嚴格限制，提高了頻譜利用效率，受到業(yè)界的廣泛關注和研究。在基于認知無線電技術的認知無線網(wǎng)絡中，資

2、源分配是一個亟待解決的重要問題，包括如何設計高效的次用戶頻譜感知機制，如何實現(xiàn)次用戶對授權頻段的高效利用，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行干擾管理等問題。本文針對認知無線網(wǎng)絡的三種網(wǎng)絡場景，結(jié)合不同的動態(tài)接入方式，分別研究集中式單跳協(xié)同認知無線網(wǎng)絡、集中式多跳多信道認知無線網(wǎng)絡，以及分布式多跳多信道認知無線網(wǎng)絡中的資源分配問題。
　　本文的主要貢獻如下:
　　在基于協(xié)同傳輸?shù)募惺絾翁J知無線網(wǎng)絡中，提

3、出了一種中繼選擇、次用戶傳輸機會分配、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，從而提升次級網(wǎng)絡的吞吐量。同時，針對次用戶能量受限的情況，考慮網(wǎng)絡的長時平均性能優(yōu)化，即在保障主網(wǎng)絡傳輸利益、滿足次網(wǎng)絡長時穩(wěn)定且符合次用戶能量約束的前提下，最大化次級網(wǎng)絡的長時平均吞吐量。借助Lyapunov優(yōu)化理論，得到長時優(yōu)化模型的瞬時求解算法。該算法首先針對功率給定的簡化場景

4、，得出最優(yōu)的瞬時資源分配算法;并在此基礎上，針對功率待定的復雜模型，通過數(shù)學變形得到最優(yōu)解。最后，就算法的信令交互開銷、復雜度等性能進行了分析。
　　在基于探測頻譜空洞的集中式多跳多信道多網(wǎng)卡認知無線網(wǎng)絡中，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)卡場景中信道與網(wǎng)卡的相互影響，并在此基礎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大獨立集所帶來的高算法復雜度。同時，考慮到次用戶傳輸?shù)目煞謱右曨l編碼業(yè)務的編碼特點，在資源有限的情況下優(yōu)先保證視頻業(yè)務的基礎層傳輸，并利用公平因子實現(xiàn)基于公平性考慮的次級網(wǎng)絡吞吐量最優(yōu)化。
　　在上述研究基礎上，進一步提出了多跳多信道多網(wǎng)卡認知無線網(wǎng)絡在無中心控制節(jié)點場景下的分布式資源分配方案。方案借助網(wǎng)絡效用最大化理論及拉格朗日對偶變化，將資源分配優(yōu)化模型的求解轉(zhuǎn)化為對其對偶問題的求解，并利用分解算法，將對偶問題