- 相關(guān)推薦
認知與協(xié)作視角下無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )之若干重要技術(shù)分析
第一章緒論
1.1論文的研究背景
近年來(lái)，伴隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛躍發(fā)展和移動(dòng)用戶(hù)的數量急劇增加，用戶(hù)對各種實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的需求不斷增加，這就要求下一代移動(dòng)通信系統⑴，即超3 代(Beyond 3G，B3G) /第四代(the Generation，4G)移動(dòng)通信系統，或者稱(chēng)先進(jìn)的國際移動(dòng)通信(International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced)系統，在提高數據傳輸速率的同時(shí)，確保不同通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)需求，因此必須采用更加先進(jìn)的算法和技術(shù)。為了實(shí)現這一目標，科研人員已經(jīng)做了大量的理論研究，主要包括先進(jìn)的信號處理和檢測技術(shù)、信道的編碼和調制技術(shù)、以及各種分集技術(shù)。其中，由于無(wú)線(xiàn)信道的多徑衰落特性是影響QoS改善和系統容量增加的主要原因，分集技術(shù)顯得至關(guān)重要。分集技術(shù)是對抗無(wú)線(xiàn)信道衰落的一種有效的技術(shù)，其基本思想是發(fā)射機通過(guò)相互獨立的衰落信道傳輸同一信號旳多個(gè)副本，以降低接收端無(wú)法識別信號的概率。目前，常見(jiàn)的分集方式有空間分集、時(shí)間分集和頻率分集，其中空間分集無(wú)需占用系統額外的帶寬和時(shí)間資源，從不同的位置(天線(xiàn))發(fā)送和接收信號，并容易與其他的分集方式相結合，因而更具有應前景。多輸入多輸出(Multiple-input-MultipIe-output, MIMO)技術(shù)[4]是指在發(fā)射端和接收端部署多跟天線(xiàn)，通過(guò)實(shí)現空間分集來(lái)對抗衰落問(wèn)題，提高信道容量。同時(shí)，當無(wú)線(xiàn)信道散射條件較為嚴重時(shí)，通過(guò)在空間中產(chǎn)生多個(gè)獨立的并行信道用以同時(shí)傳輸多路信號，獲得數據速率的大幅提升。因此，MIMO技術(shù)成為B3G/4G通信系統巾的一項關(guān)鍵技術(shù)。然而，因天線(xiàn)間距、視距傳播等因素引起的天線(xiàn)間的相關(guān)性，以及便攜式移動(dòng)終端難以安置多跟天線(xiàn)的難題，使得理想的MIMO技術(shù)的實(shí)用化受到一定程度的阻礙。為此，Sendonaris A等人在2003年提出協(xié)作通信(Cooperative Communications)的概念[5][6]。協(xié)作通信使得單天線(xiàn)移動(dòng)終端可以實(shí)現類(lèi)似MIMO的空間分集，即協(xié)作分集(Cooperative Diversity)。它的基本思想是具有單根天線(xiàn)的節點(diǎn)之間相互協(xié)作，共享彼此的天線(xiàn)，從而形成虛擬的天線(xiàn)陣列，獲得近MIMO的性能增益。
協(xié)作通信的工作過(guò)程主要包括廣播階段和協(xié)作階段。在廣播階段，源節點(diǎn)向周?chē)慕砝^節點(diǎn)廣播將要發(fā)送的數據;在協(xié)作階段，中繼節點(diǎn)將接收到的源節點(diǎn)信號經(jīng)某種協(xié)作方式(放大轉發(fā)、解碼轉發(fā)、編碼轉發(fā)等)發(fā)送給目的節點(diǎn)。與傳統的單跳通信相比，協(xié)作通信可以提升傳輸速率、增加傳輸可靠性、擴大傳輸距離和覆蓋范圍。它從協(xié)作的角度出發(fā)，把物理層傳輸技術(shù)，無(wú)線(xiàn)信道，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等綜合進(jìn)行設計和優(yōu)化，可大幅度的提高系統可實(shí)現性和無(wú)線(xiàn)資源的使用效率，從而為小型移動(dòng)終端的MIMO實(shí)用化提供了新的思路和解決辦法。近年來(lái)，關(guān)于協(xié)作通信技術(shù)在蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )、傳感器網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中的研究和應用已成為熱點(diǎn)之一，備受學(xué)者們關(guān)注。協(xié)作通信技術(shù)可與現有的其他先進(jìn)通信技術(shù)進(jìn)行靈活地結合，以發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)勢。例如，與正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術(shù)相結合，可充分利用其消除符號間干擾(Inter-symbol Interference，ISI)、對抗頻率選擇性衰落和較高頻譜效率的優(yōu)點(diǎn);與空時(shí)編碼、網(wǎng)絡(luò )編碼等編碼技術(shù)相結合，以獲得編碼增益[12]。
另一方面，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信逐漸向寬帶化和智能化的方向發(fā)展，人們對無(wú)線(xiàn)通信的傳輸速率要求越來(lái)越高，對無(wú)線(xiàn)頻譜資源的需求量也正在急劇增加，從而導致稀缺的頻譜資源變得日益匱乏，制約著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展。然而，現有的固定頻譜分配機制卻使得無(wú)線(xiàn)頻譜資源在時(shí)域和頻域上不同程度地被閑置和浪費。聯(lián)邦通信委員會(huì )(Federal Communications Commission, FCC)提供的數據表明[13]，在30MHz-3GHz的頻段上，無(wú)線(xiàn)頻譜利用率平均為5.2%,而在使用率最高的紐約市也不過(guò)為13.1%。圖1-1 為美國加州大學(xué)伯克利分校無(wú)線(xiàn)研究中心對伯克利市區頻譜使用情況的實(shí)地測量結果。由圖可見(jiàn)，3GHz以上的頻段幾乎未被使用，其中34GHz頻段的利用率僅有0.5%，4-5GHZ頻段的利用率只有0.3%。須!J試報告表明，3GHz以下的頻段有70%多沒(méi)有被充分利用，大部分頻譜處于空閑狀態(tài)。由此可明顯得出，當前的頻譜利用情況和頻譜資源短缺現象相矛盾。
為了解決以上矛盾，1999年，瑞典皇家技術(shù)學(xué)院的MitolaJ博士首次在軟件無(wú)線(xiàn)電(Software Defined Radio, SDR)的基礎上提出認知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio，CR)的概念。CR打破了傳統僵化的無(wú)線(xiàn)頻譜資源管理和使用機制，允許無(wú)線(xiàn)通信系統對周?chē)耐ㄐ怒h(huán)境進(jìn)行感知，并根據環(huán)境的變化自適應調整系統參數，以更加高效、靈活的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜接入(Dynamic Spectrum Access，DSA)，以提高無(wú)線(xiàn)頻譜資源在時(shí)間和空間上的利用率，并實(shí)現頻譜動(dòng)態(tài)管理。目前，CR技術(shù)已被公認為是解決無(wú)線(xiàn)頻譜資源短缺問(wèn)題的最佳途徑之一[15][16]，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
第二章協(xié)作通信與認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1引言
在下一代移動(dòng)通信系統中，用戶(hù)對各種實(shí)時(shí)寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求急劇增長(cháng)，因此，必須采用更加先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)提高數據的傳輸速率。協(xié)作通信 (Cooperative Communications) [1]，作為一種空間分集技術(shù)，能夠在不增加硬件成本的基礎上，提升信道容量，增加無(wú)線(xiàn)鏈路的可靠性，是目前的研究熱點(diǎn)之一�，F有的大部分研究工作都以假定協(xié)作中繼節點(diǎn)己被指定好為前提，在此基礎上研究協(xié)作通信的編碼策略、誤碼率(Bit Error Rate, BER)、中斷概率、無(wú)線(xiàn)資源分配等問(wèn)題。事實(shí)上，如何選擇合適的中繼節點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作傳輸，對于系統性能的提升至關(guān)重要，換言之，中繼節點(diǎn)選擇是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。眾所周知，頻譜選擇性衰落會(huì )導致接收端的符號間干擾(Inter-symbol Interference, ISI)，進(jìn)而降低通信質(zhì)量。正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)作為 3GPPLTE (Long Term Evolution)下行的傳輸技術(shù)[4]，可有效對抗多徑效應，實(shí)現子信道的無(wú)ISI信息傳輸。大量的研究工作表明，將OFDM技術(shù)與協(xié)作通信技術(shù)有機地結合起來(lái)，具有非常重要的研究和應用價(jià)值。在OFDM協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò )中，如何合理、高效地進(jìn)行子載波分配和功率控制是無(wú)線(xiàn)資源管理(Radio Resource Management，RRM)的主要研究?jì)?.容，但并不僅限與此。RRM是的H標是在資源有限的條件下，動(dòng)態(tài)調整和靈活分配系統的可用資源，最大限度地提高資源利用率，為用戶(hù)終端提供服務(wù)質(zhì)量 (Quality of Service, QoS)保障。認知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)為緩解可用頻譜資源的匱乏與日益增長(cháng)的無(wú)線(xiàn)接入需求與之間的矛盾提供了一個(gè)可行的思路，使認知用戶(hù)(Secondary User, SU)和主用戶(hù)(Primary User, PU)可以共享頻譜，從而提高了頻譜利用率。認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是CR的網(wǎng)絡(luò )化，以端到端的性能為H標，將認知特性與無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行整體研究。它涵蓋的研究?jì)热莘浅ＸS富，涉及到網(wǎng)絡(luò )架構的設計、頻譜檢測技術(shù)、頻譜共享方式、動(dòng)態(tài)頻譜管理等多方面的關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需要根據動(dòng)態(tài)頻譜感知信息來(lái)確定頻譜接入策略和重配置(Reconfiguration)的網(wǎng)絡(luò )參數。若像傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )那樣，采用分層獨立設計，則認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )各協(xié)議層的通信模塊功能無(wú)法自適應動(dòng)態(tài)頻譜特性，因此需要對協(xié)議棧進(jìn)行跨層設計(Cross-layer Design, CLD)，以獲得較好的系統性能。
第三章 協(xié)作無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中多中繼選擇...................... 57-75
3.1 引言..................... 57-59
3.2 系統模型 .....................59-61
3.3 多中繼協(xié)作節點(diǎn)選擇機制..................... 61-64
3.4 最優(yōu)功率分配算法..................... 64-67
3.4.1 最優(yōu)化建模..................... 65
3.4.2 拉格朗日對偶問(wèn)題..................... 65-66
3.4.3 次梯度投影算法..................... 66-67
3.5 仿真結果與性能分析..................... 67-72
3.6 本章小結..................... 72
參考文獻 .....................72-75
第四章 協(xié)作與認知無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中..................... 75-101
4.1 引言 .....................75-77
4.2 協(xié)作與認知網(wǎng)絡(luò )中TCP吞吐量分析 .....................77-81
4.3 基于主用戶(hù)Qos保證的認知..................... 81-83
4.3.1 主用戶(hù)鏈路的中斷概率.....................81
4.3.2 認知用戶(hù)的傳輸功率 .....................81-83
4.4 Restless Bandits問(wèn)題建模 .....................83-85
4.5 Restless Bandits問(wèn)題求解..................... 85-89
4.6 仿真結果與性能分析..................... 89-97
4.7 本章小..................... 97
參考文獻..................... 97-101
第五章 協(xié)作與認知無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )..................... 101-128
5.1 引言..................... 101-103
5.2 系統模型 .....................103-109
5.3 多媒體傳輸的率失真優(yōu)化..................... 109-111
5.4 基于POMDP方法的問(wèn)題建模 .....................111-114
5.5 POMDP問(wèn)題求解 .....................114-117
5.5.1 最優(yōu)策略 .....................114-116
5.5.2 次優(yōu)策略 .....................116-117
5.6 仿真結果與性能分析..................... 117-124
5.7 本章小結 .....................124
結論
本論文以認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )巾的協(xié)作傳輸為核心，以認知用戶(hù)端到端的性能優(yōu)化為目標展開(kāi)研究，討論了協(xié)作通信中的中繼節點(diǎn)選擇和資源分配、協(xié)作與認知無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中的TCP性能以及多媒體傳輸性能的優(yōu)化，其主要工作可歸納如下：
1.提出了基于DF模式的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò )中的機會(huì )多中繼選擇策略及最優(yōu)功率分配算法。為延長(cháng)平均網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間，在中繼選擇的過(guò)程中綜合考慮瞬時(shí)信道狀態(tài)信息和節點(diǎn)的剩余能量信息，避免了信道條件好的中繼節點(diǎn)過(guò)度使用的情況，并且實(shí)現了多個(gè)巾繼節點(diǎn)參與協(xié)作傳輸的“涌現”增益。在此基礎上，以最大化信道容量為目標，在系統總功率受限的條件下，利用凸優(yōu)化理論中的對偶分解和次梯度投影算法，對源節點(diǎn)和協(xié)作中繼節點(diǎn)的功率進(jìn)行最優(yōu)分配。
2.提出了 Underlay協(xié)作與認知無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中TCP性能優(yōu)化機制，并保證PU的QoS需求，即PU鏈路的中斷概率低于預設的門(mén)限值。從跨層設計的角度考慮了動(dòng)態(tài)頻譜特性、最佳中繼選擇策略、物理層的自適應調制與編碼機制、MAC的自動(dòng)重傳機制、最優(yōu)功率分配對TCP端到端的吞吐量的影響;另外從能效(Energy Efficiency)的角度考慮了剩余能量對網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間的影響。將支持協(xié)作通信的認知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )描述為一個(gè)Restless Bandits系統，利用其優(yōu)先權-索引特性，通過(guò)線(xiàn)性規劃松弛和原始-對偶啟發(fā)式算法得出最優(yōu)策略。
3.利用跨層設計的方法優(yōu)化了協(xié)作與認知無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中的多媒體傳輸性能。以應用層的QoS (即端到端的視頻失真)為目標，對應用層視頻編碼中的幀內刷新率進(jìn)行優(yōu)化，使之自適應當前的網(wǎng)絡(luò )狀況。由于漏檢和誤檢情況的發(fā)生，頻譜占用狀態(tài)無(wú)法直接觀(guān)察，因而將協(xié)作與認知無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中的信道感知和信道接入描述為部分可觀(guān)測馬爾可夫過(guò)程(POMDP)。通過(guò)動(dòng)態(tài)規劃算法和值函數得出POMDP問(wèn)題的最優(yōu)解;另外，為了減小計算的復雜度，利用貪婪算法得出次優(yōu)策略。
參考文獻
[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.
【認知與協(xié)作視角下無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )之若干重要技術(shù)分析】相關(guān)文章：
教育學(xué)視角下的智性學(xué)習分析論文11-15
企業(yè)資源視角下的核心競爭力分析03-11
認知語(yǔ)言學(xué)視角下“within”的空間隱喻意義03-11
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)作技術(shù)綜述03-04
熵理論視角下的中國快遞業(yè)市場(chǎng)分析03-18