能效優(yōu)先的認(rèn)知與協(xié)作無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)研究

1、能效優(yōu)先的認(rèn)知與協(xié)作無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)研究隨著智能終端的廣泛使用與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在各行業(yè)中的滲透發(fā)展 , 移動(dòng)通信業(yè)務(wù)流量快速增長(zhǎng), 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(wú)線傳輸技術(shù)研究熱潮。認(rèn)知無(wú)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(shí)現(xiàn)綠色通信的潛力技術(shù)。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)(Cognitive RadioNetworks,CRNs) 中結(jié)合協(xié)作傳輸?shù)膮f(xié)作認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)(CooperativeCRNs,CCRNs)因同時(shí)具備提高頻譜利用率與克服衰落效應(yīng)影響的優(yōu)勢(shì)，而受到研究人員的

2、強(qiáng)烈關(guān)注。目前，有關(guān)CCRNS勺研究工作主要集中在提高次級(jí)用戶(hù)的接入機(jī)會(huì)和傳輸吞吐量方面, 而這些研究少有從能量效率方面來(lái)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(lái)審視CCRN的的協(xié)彳感知，協(xié)作傳輸?shù)葐?wèn)題。為此，本論文以CCRN蚱為研究對(duì)象，開(kāi)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(wèn)題的研究 , 提出了相應(yīng)的高能效的通信機(jī)制與資源分配策略 , 為實(shí)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?jī)?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(jí)協(xié)作感知過(guò)程中 , 協(xié)作用戶(hù)越多 , 檢測(cè)精度越高。然而, 這

3、同時(shí)導(dǎo)致更多的感知數(shù)據(jù)量, 從而會(huì)造成更多的能量開(kāi)銷(xiāo)及較大的干擾。為了解決這個(gè)難題 , 本文綜合考慮感知能耗與檢測(cè)性能, 提出了一種差分匯報(bào)的自適應(yīng)高能效頻譜檢測(cè)機(jī)制 , 推導(dǎo)了該感知機(jī)制在瑞利衰落(Rayleigh) 信道下的檢測(cè)概率、匯報(bào)概率和平均感知能耗的解析表達(dá)式, 并研究了在滿(mǎn)足系統(tǒng) 檢測(cè)概率下以感知時(shí)間為優(yōu)化變量的平均感知能效最大化問(wèn)題。 分析表明 , 通過(guò)合理優(yōu)化感知時(shí)間 , 可使感知性能與能耗之間達(dá)到一個(gè)均衡點(diǎn)。 仿真結(jié)果顯示, 所提感知機(jī)制對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)制 , 可顯著改善次級(jí)感知能效的同時(shí) , 而幾乎不帶來(lái)檢測(cè)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)。 現(xiàn)有

4、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(jì)目標(biāo) , 較少?gòu)南到y(tǒng)能量效率的角度進(jìn)行考慮。為此, 論文對(duì)認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的次級(jí)感知與傳輸兩個(gè)階段進(jìn)行分析研究, 提出了一種高能效的最佳中繼協(xié)作傳輸機(jī)制。其基本思想是在感知階段次級(jí)中繼用戶(hù)參與協(xié)作感知來(lái)提高傳輸機(jī)會(huì), 在傳輸階段通過(guò)選擇最佳協(xié)作用戶(hù)輔助次級(jí)傳輸以改善通信質(zhì)量, 以此提升次級(jí)能效。 基于該機(jī)制 , 論文考慮次級(jí)中斷概率為約束條件 , 以感知時(shí)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(wèn)題。借助詹森(Jensen) 不等式 , 將原問(wèn)題分解成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子問(wèn)題來(lái)分別求解感知時(shí)間和功率分配, 給出了一種

5、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(jí)傳輸?shù)哪苄? 還可顯著提高次級(jí)傳輸?shù)目煽啃?。第? 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(wèn)題不同 ,論文考慮滿(mǎn)足次級(jí)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分配問(wèn)題。論文首先理論證明了該問(wèn)題是非凸問(wèn)題且系統(tǒng)能效函數(shù)具有全局唯一最優(yōu)解 , 然后針對(duì)不同情形下的能效優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行討論, 將非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)換為凸問(wèn)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

6、真結(jié)果表明 , 該策略在保證次級(jí)鏈路可靠性的同時(shí) , 可使傳輸能效達(dá)到最佳。此外 , 實(shí)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(wèn)題 , 利用非線性分式規(guī)劃和拉格朗日對(duì)偶理論, 逐步把原始問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的參數(shù)凸規(guī)劃。 在求解過(guò)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(hù)傳輸性能的改善是消耗次級(jí)協(xié)作用戶(hù)能量換來(lái)的, 從能效角度來(lái)說(shuō), 這種沒(méi)有激勵(lì)的合作對(duì)次級(jí)用戶(hù)是不公平的 ; 另外 , 現(xiàn)有研究大多基于一個(gè)

7、隱含的假設(shè), 即主用戶(hù)默認(rèn)需要次級(jí)用戶(hù)參與協(xié)作 , 而這并非完全必要。 考慮到上述不足, 本文針對(duì)異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景 , 提出了一種主次系統(tǒng)“雙贏”的高能效協(xié)作通信機(jī)制。該機(jī)制中次級(jí)用戶(hù)在接入主系統(tǒng)協(xié)助主用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí) , 換取一部分授權(quán)頻譜資源來(lái)實(shí)現(xiàn)自身數(shù)據(jù)在異構(gòu)網(wǎng)中的傳輸分流, 以此提升次級(jí)能效。論文研究了該機(jī)制在主次系統(tǒng)速率“雙重”約束下的次級(jí)加權(quán)能效最大化非凸資源優(yōu)化問(wèn)題, 結(jié)合參數(shù)化的分式規(guī)劃算法和黃金分割法提出了一種資源分配的迭代算法。仿真結(jié)果表明, 所提機(jī)制在不降低主用戶(hù)通信性能的情況下, 提升了次級(jí)系統(tǒng)傳輸能效, 實(shí)現(xiàn)了主次系統(tǒng)傳輸“雙贏”的目的。一最優(yōu)解，然后針對(duì)不同情形下

8、的能效優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行討論，將非凸問(wèn) 題轉(zhuǎn)換為凸問(wèn)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(jí)鏈路可靠性的 同時(shí)，可使傳輸能效達(dá)到最佳。此外，實(shí)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(wèn)題,利用非線性分式規(guī)劃和拉格朗日對(duì)偶理論，逐步把原始問(wèn)題轉(zhuǎn) 化為對(duì)應(yīng)的參數(shù)凸規(guī)劃。在求解過(guò)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(hù)傳輸性能的改善是消耗次級(jí)協(xié)作用戶(hù)能量換來(lái) 的,從能效角度來(lái)說(shuō)，這種沒(méi)有激勵(lì)的合作對(duì)次級(jí)用戶(hù)是不公平的；另 外，現(xiàn)有研究大多基于一個(gè)隱含的假設(shè)，即主用戶(hù)默認(rèn)需要次級(jí)用戶(hù) 參與協(xié)作，而這并非完全必要。考慮到上述不足，本文針對(duì)異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng) 絡(luò)場(chǎng)景，提出了一種主次系統(tǒng)“雙贏”的高能效協(xié)作通信機(jī)制。該機(jī) 制中次級(jí)用戶(hù)在接入主系統(tǒng)協(xié)助主用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí) ,換取一部分 授權(quán)頻譜資源來(lái)實(shí)現(xiàn)自身數(shù)據(jù)在異構(gòu)網(wǎng)中的傳輸分流 ，以此提升次級(jí) 能