- 相关推荐
认知与协作视角下无线通信网络之若干重要技术分析
第一章绪论
1.1论文的研究背景
近年来，伴随着无线通信技术的飞跃发展和移动用户的数量急剧增加，用户对各种实时多媒体业务的需求不断增加，这就要求下一代移动通信系统⑴，即超3 代(Beyond 3G，B3G) /第四代(the Generation，4G)移动通信系统，或者称先进的国际移动通信(International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced)系统，在提高数据传输速率的同时，确保不同通信业务的服务质量(Quality of Service，QoS)需求，因此必须采用更加先进的算法和技术。为了实现这一目标，科研人员已经做了大量的理论研究，主要包括先进的信号处理和检测技术、信道的编码和调制技术、以及各种分集技术。其中，由于无线信道的多径衰落特性是影响QoS改善和系统容量增加的主要原因，分集技术显得至关重要。分集技术是对抗无线信道衰落的一种有效的技术，其基本思想是发射机通过相互独立的衰落信道传输同一信号旳多个副本，以降低接收端无法识别信号的概率。目前，常见的分集方式有空间分集、时间分集和频率分集，其中空间分集无需占用系统额外的带宽和时间资源，从不同的位置(天线)发送和接收信号，并容易与其他的分集方式相结合，因而更具有应前景。多输入多输出(Multiple-input-MultipIe-output, MIMO)技术[4]是指在发射端和接收端部署多跟天线，通过实现空间分集来对抗衰落问题，提高信道容量。同时，当无线信道散射条件较为严重时，通过在空间中产生多个独立的并行信道用以同时传输多路信号，获得数据速率的大幅提升。因此，MIMO技术成为B3G/4G通信系统巾的一项关键技术。然而，因天线间距、视距传播等因素引起的天线间的相关性，以及便携式移动终端难以安置多跟天线的难题，使得理想的MIMO技术的实用化受到一定程度的阻碍。为此，Sendonaris A等人在2003年提出协作通信(Cooperative Communications)的概念[5][6]。协作通信使得单天线移动终端可以实现类似MIMO的空间分集，即协作分集(Cooperative Diversity)。它的基本思想是具有单根天线的节点之间相互协作，共享彼此的天线，从而形成虚拟的天线阵列，获得近MIMO的性能增益。
协作通信的工作过程主要包括广播阶段和协作阶段。在广播阶段，源节点向周围的巾继节点广播将要发送的数据;在协作阶段，中继节点将接收到的源节点信号经某种协作方式(放大转发、解码转发、编码转发等)发送给目的节点。与传统的单跳通信相比，协作通信可以提升传输速率、增加传输可靠性、扩大传输距离和覆盖范围。它从协作的角度出发，把物理层传输技术，无线信道，无线网络等综合进行设计和优化，可大幅度的提高系统可实现性和无线资源的使用效率，从而为小型移动终端的MIMO实用化提供了新的思路和解决办法。近年来，关于协作通信技术在蜂窝移动通信网络、传感器网络、无线Ad Hoc网络和无线局域网等无线通信领域中的研究和应用已成为热点之一，备受学者们关注。协作通信技术可与现有的其他先进通信技术进行灵活地结合，以发挥各技术的优势。例如，与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术相结合，可充分利用其消除符号间干扰(Inter-symbol Interference，ISI)、对抗频率选择性衰落和较高频谱效率的优点;与空时编码、网络编码等编码技术相结合，以获得编码增益[12]。
另一方面，移动无线通信逐渐向宽带化和智能化的方向发展，人们对无线通信的传输速率要求越来越高，对无线频谱资源的需求量也正在急剧增加，从而导致稀缺的频谱资源变得日益匮乏，制约着无线通信技术的发展。然而，现有的固定频谱分配机制却使得无线频谱资源在时域和频域上不同程度地被闲置和浪费。联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)提供的数据表明[13]，在30MHz-3GHz的频段上，无线频谱利用率平均为5.2%,而在使用率最高的纽约市也不过为13.1%。图1-1 为美国加州大学伯克利分校无线研究中心对伯克利市区频谱使用情况的实地测量结果。由图可见，3GHz以上的频段几乎未被使用，其中34GHz频段的利用率仅有0.5%，4-5GHZ频段的利用率只有0.3%。须!J试报告表明，3GHz以下的频段有70%多没有被充分利用，大部分频谱处于空闲状态。由此可明显得出，当前的频谱利用情况和频谱资源短缺现象相矛盾。
为了解决以上矛盾，1999年，瑞典皇家技术学院的MitolaJ博士首次在软件无线电(Software Defined Radio, SDR)的基础上提出认知无线电(Cognitive Radio，CR)的概念。CR打破了传统僵化的无线频谱资源管理和使用机制，允许无线通信系统对周围的通信环境进行感知，并根据环境的变化自适应调整系统参数，以更加高效、灵活的方式进行动态频谱接入(Dynamic Spectrum Access，DSA)，以提高无线频谱资源在时间和空间上的利用率，并实现频谱动态管理。目前，CR技术已被公认为是解决无线频谱资源短缺问题的最佳途径之一[15][16]，受到了学术界和产业界的广泛关注。
第二章协作通信与认知无线网络中的关键技术
2.1引言
在下一代移动通信系统中，用户对各种实时宽带多媒体业务的需求急剧增长，因此，必须采用更加先进的无线通信技术来提高数据的传输速率。协作通信 (Cooperative Communications) [1]，作为一种空间分集技术，能够在不增加硬件成本的基础上，提升信道容量，增加无线链路的可靠性，是目前的研究热点之一。现有的大部分研究工作都以假定协作中继节点己被指定好为前提，在此基础上研究协作通信的编码策略、误码率(Bit Error Rate, BER)、中断概率、无线资源分配等问题。事实上，如何选择合适的中继节点进行协作传输，对于系统性能的提升至关重要，换言之，中继节点选择是一个值得研究的问题。众所周知，频谱选择性衰落会导致接收端的符号间干扰(Inter-symbol Interference, ISI)，进而降低通信质量。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)作为 3GPPLTE (Long Term Evolution)下行的传输技术[4]，可有效对抗多径效应，实现子信道的无ISI信息传输。大量的研究工作表明，将OFDM技术与协作通信技术有机地结合起来，具有非常重要的研究和应用价值。在OFDM协作中继网络中，如何合理、高效地进行子载波分配和功率控制是无线资源管理(Radio Resource Management，RRM)的主要研究内 .容，但并不仅限与此。RRM是的H标是在资源有限的条件下，动态调整和灵活分配系统的可用资源，最大限度地提高资源利用率，为用户终端提供服务质量 (Quality of Service, QoS)保障。认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术为缓解可用频谱资源的匮乏与日益增长的无线接入需求与之间的矛盾提供了一个可行的思路，使认知用户(Secondary User, SU)和主用户(Primary User, PU)可以共享频谱，从而提高了频谱利用率。认知无线网络是CR的网络化，以端到端的性能为H标，将认知特性与无线通信网络进行整体研究。它涵盖的研究内容非常丰富，涉及到网络架构的设计、频谱检测技术、频谱共享方式、动态频谱管理等多方面的关键技术。另一方面，认知无线网络需要根据动态频谱感知信息来确定频谱接入策略和重配置(Reconfiguration)的网络参数。若像传统的无线网络那样，采用分层独立设计，则认知无线网络各协议层的通信模块功能无法自适应动态频谱特性，因此需要对协议栈进行跨层设计(Cross-layer Design, CLD)，以获得较好的系统性能。
第三章 协作无线通信网络中多中继选择...................... 57-75
3.1 引言..................... 57-59
3.2 系统模型 .....................59-61
3.3 多中继协作节点选择机制..................... 61-64
3.4 最优功率分配算法..................... 64-67
3.4.1 最优化建模..................... 65
3.4.2 拉格朗日对偶问题..................... 65-66
3.4.3 次梯度投影算法..................... 66-67
3.5 仿真结果与性能分析..................... 67-72
3.6 本章小结..................... 72
参考文献 .....................72-75
第四章 协作与认知无线通信网络中..................... 75-101
4.1 引言 .....................75-77
4.2 协作与认知网络中TCP吞吐量分析 .....................77-81
4.3 基于主用户Qos保证的认知..................... 81-83
4.3.1 主用户链路的中断概率.....................81
4.3.2 认知用户的传输功率 .....................81-83
4.4 Restless Bandits问题建模 .....................83-85
4.5 Restless Bandits问题求解..................... 85-89
4.6 仿真结果与性能分析..................... 89-97
4.7 本章小..................... 97
参考文献..................... 97-101
第五章 协作与认知无线通信网络..................... 101-128
5.1 引言..................... 101-103
5.2 系统模型 .....................103-109
5.3 多媒体传输的率失真优化..................... 109-111
5.4 基于POMDP方法的问题建模 .....................111-114
5.5 POMDP问题求解 .....................114-117
5.5.1 最优策略 .....................114-116
5.5.2 次优策略 .....................116-117
5.6 仿真结果与性能分析..................... 117-124
5.7 本章小结 .....................124
结论
本论文以认知无线网络巾的协作传输为核心，以认知用户端到端的性能优化为目标展开研究，讨论了协作通信中的中继节点选择和资源分配、协作与认知无线通信网络中的TCP性能以及多媒体传输性能的优化，其主要工作可归纳如下：
1.提出了基于DF模式的协作通信网络中的机会多中继选择策略及最优功率分配算法。为延长平均网络生存时间，在中继选择的过程中综合考虑瞬时信道状态信息和节点的剩余能量信息，避免了信道条件好的中继节点过度使用的情况，并且实现了多个巾继节点参与协作传输的“涌现”增益。在此基础上，以最大化信道容量为目标，在系统总功率受限的条件下，利用凸优化理论中的对偶分解和次梯度投影算法，对源节点和协作中继节点的功率进行最优分配。
2.提出了 Underlay协作与认知无线通信网络中TCP性能优化机制，并保证PU的QoS需求，即PU链路的中断概率低于预设的门限值。从跨层设计的角度考虑了动态频谱特性、最佳中继选择策略、物理层的自适应调制与编码机制、MAC的自动重传机制、最优功率分配对TCP端到端的吞吐量的影响;另外从能效(Energy Efficiency)的角度考虑了剩余能量对网络生存时间的影响。将支持协作通信的认知无线网络描述为一个Restless Bandits系统，利用其优先权-索引特性，通过线性规划松弛和原始-对偶启发式算法得出最优策略。
3.利用跨层设计的方法优化了协作与认知无线通信网络中的多媒体传输性能。以应用层的QoS (即端到端的视频失真)为目标，对应用层视频编码中的帧内刷新率进行优化，使之自适应当前的网络状况。由于漏检和误检情况的发生，频谱占用状态无法直接观察，因而将协作与认知无线通信网络中的信道感知和信道接入描述为部分可观测马尔可夫过程(POMDP)。通过动态规划算法和值函数得出POMDP问题的最优解;另外，为了减小计算的复杂度，利用贪婪算法得出次优策略。
参考文献
[1] Mitlola J. Cognitive radio: an integrated agent architecturehttp://www.e-lunwen.com/txgclw/ for software definedradio. Royal Inst Technol (KTH)，Stockholm, Sweden: Dissertation for Doctor ofTechnology，2000.
[2] Akyildiz I F, Lee W Y，Vuran M C etc. Next generation dynamic spectrum accesscognitive radio wireless networks: a survey. Computer Networks Journal，2006，50(13):2127-2159.
[3] Laneman J N, Tse D N C，Womenll G W. Cooperative diversity in wirelessnetworks: efficient protocols and outage behavior. IEEE Transactions onInformation Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.
[4] Nosratinia A，Hunter T E，Hedayat A. Cooperative communication in wirelessnetworks. IEEE Communication Magazine, 2004, 42(10): 68-73.
[5] Laneman J N, Tse D N C，Womenll G W. Cooperative diversity in wirelessnetworks: efficient protocols and outage behavior. IEEE Transactions onInformation Theory, 2004，50(12): 3062-3080.
[6 ] Hunter T E，Nosratinia A. Diversity through coded cooperation. IEEETransactions on Wireless Communications, 2006, 5(2): 283-289.
[7] Jia J, Zhang J，Zhang Q. Cooperative relay for cognitive radio networks. In:Proceedings of IEEE INFOCOM，2009: 2304-2312.
[8] Zhang Q, Jia J, Zhang J. Cooperative relay to improve diversity in cognitive radionetworks. IEEE Communications Magazine, 2009, 47(2): 111-117
[9] Letaief K，Zhang W. Cooperative communications for cognitive radio networks.Proceedings of the IEEE, 2009, 97(5): 878-893.
[10] Ganesan G, Li Y G. Cooperative spectrum sensing in cognitive radio-part I: twouser networks. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007，6(6):2204-2213.
【认知与协作视角下无线通信网络之若干重要技术分析】相关文章：
认知语言学视角下看隐喻的翻译03-03
教育学视角下的智性学习分析论文11-15
企业资源视角下的核心竞争力分析03-11
无线传感器网络协作技术综述03-04
熵理论视角下的中国快递业市场分析03-18
网络环境下用户需求分析03-21
符号学视角下的清朝宫廷服饰纹样特征分析03-05
思维可视化视角下的视觉素养教育分析论文06-15