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无线协作通信系统中资源管理和优化技术研究

作　者: 张晓亮
导　师: 纪红
学　校: 北京邮电大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 协作通信技术资源管理和优化能量效率中继节点选择协作小区选择子载波和功率分配协作频谱共享
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着无线接入技术的高速发展,以及大量新的无线数据业务应用的不断涌现,人们对无线网络的频谱资源的需求急剧增加,对网络能够提供的传输速率也提出了更高的要求。由于可用频谱资源有限,下一代无线通信系统必须采用更加先进的算法和技术,提高频谱利用效率,满足用户日益增长的传输速率需求。协作通信技术可以通过节点之间的相互协作,使得具有单根天线的节点之间共享彼此的天线,形成虚拟的天线阵列,获得分集和复用增益,从而能够有效对抗多径衰落及小区间干扰,提高用户的数据传输速率和系统的频谱利用效率,得到了越来越多的关注。在无线协作通信系统中,重点需要解决的问题之一是无线资源管理和优化问题,如协作节点选择、子载波与功率分配以及节点间的频谱共享等。目前,已经有很多研究机构和学者就此相关领域展开研究,并取得了一定的成果,但是仍存在许多亟待解决的问题。本论文针对无线协作通信系统中的中继节点选择和功率分配、协作多点传输／接收技术中的协作小区选择和资源分配以及下垫式和重叠式频谱共享模式下授权用户和认知用户如何协作共享小区内的频谱资源及相应的功率分配机制,提出了相应的创新性解决机制,并做了详细的理论分析和性能仿真。本论文的主要贡献和创新点如下：1.从能量有效性角度出发,提出了无线协作通信网络中一种基于第一价格拍卖博弈的中继节点选择和功率分配方案首先,以降低系统的能量消耗为目标,提出综合考虑源节点的传输速率和消耗能量的能量效率目标函数。其次,在给定一个能量效率目标值的情况下,将源节点和中继节点的协作建模为第一价格拍卖博弈模型,当源节点发出协作请求时,所有的中继节点会以竞标的形式竞争与源节点协作,源节点会选择使自己付出的代价最小并且能够满足最小传输速率要求的中继节点进行协作。再次,系统达到均衡状态时,可以得到分配给协作中继节点的功率,同时中继节点在协作的过程中也会获得一定的收益,通过强化学习方法,中继节点的收益也会达到最大。最后,仿真结果表明,在能量效率目标相同的情况下,该方案可以有效地减少功率消耗。2.提出了协作多点传输／接收中一种能量有效性的协作小区选择、子载波分配及功率控制机制。首先,在充分考虑能量效率的前提下,提出了一种协作小区选择方案,旨在为每一个蜂窝边缘用户选择出最合适的两个协作小区。其次,当协作小区选定以后,提出了一种新的次优的能够考虑所有用户公平性的子载波分配算法。在该算法中,蜂窝边缘用户和蜂窝中心用户根据其优先级占用整个频段内的最优子载波。再次,在将所有的子载波按照一定的算法分配给用户后,利用拉格朗日乘子法计算出了分配给每个用户的功率。最后,仿真结果表明,该机制不仅能够提高系统的能量效率,增加用户之间的公平性,还能提升扇区内所有用户的吞吐量。3.提出了一种新的协作频谱共享模式,并根据该频谱共享模式给出了认知用户的最优分布式功率分配算法首先,分析了基于重叠式和下垫式两种频谱共享方式下授权用户和认知用户对频谱资源的占用情况,进而提出了一种新型的协作频谱共享模式。在该模式中,认知用户不但可以利用空闲的频谱资源而且可以使用授权用户占用的频谱资源,而不需要在空闲频带之间进行频繁切换,因而可以有效提高频谱利用效率。其次,基于该频谱共享模式,考虑认知用户的最优分布式功率分配问题,并将该问题描述为一个非协作博弈问题。再次,使用变分不等式方法对该非协作博弈问题进行求解,最终给出了一种新的最优分布式功率分配算法。仿真结果表明,该算法不仅能够减少认知用户在不同频带间的切换次数,提高频谱资源的利用效率,还能提升系统的数据速率。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-11
图目录  11-12
表目录  12-13
第一章绪论  13-30
  1.1 论文的研究背景  13-17
  1.2 研究现状及研究意义  17-21
    1.2.1 无线协作通信主要研究内容  17-19
    1.2.2 无线协作通信资源管理和优化研究现状  19-21
  1.3 本文的主要贡献和章节安排  21-25
    1.3.1 本文的主要创新性工作  21-23
    1.3.2 本文的章节安排  23-25
  参考文献  25-30
第二章无线协作通信系统资源管理和优化技术概述  30-52
  2.1 引言  30-31
  2.2 中继选择和资源分配  31-37
    2.2.1 中继节点选择方法  31-35
    2.2.2 功率分配方法  35-37
  2.3 协作多点传输/接收  37-42
    2.3.1 协作多点传输/接收方案  38-39
    2.3.2 协作小区选择算法  39-40
    2.3.3 子载波和功率分配算法  40-42
  2.4 协作频谱共享技术  42-47
    2.4.1 协作频谱共享技术分类  42-45
    2.4.2 协作频谱共享功率控制策略  45-47
  2.5 本章小结  47
  参考文献  47-52
第三章协作中继选择和功率分配研究  52-75
  3.1 引言  52-54
  3.2 系统模型  54-58
    3.2.1 网络场景  54-55
    3.2.2 信道模型  55-56
    3.2.3 能量效率标准函数  56
    3.2.4 收益和代价函数  56-58
  3.3 博弈模型  58-63
    3.3.1 博弈过程分析  58-59
    3.3.2 标值的计算  59-60
    3.3.3 博弈规则  60-61
    3.3.4 RL  61-62
    3.3.5 收敛性和纳什均衡解  62-63
  3.4 仿真结果与性能分析  63-71
    3.4.1 集中式的能量有效传输方案  63-64
    3.4.2 能量有效传输方案Ⅰ  64-66
    3.4.3 仿真场景设置  66
    3.4.4 优化指标对比分析  66-71
  3.5 本章小节  71-72
  参考文献  72-75
第四章协作小区选择及子载波和功率分配研究  75-96
  4.1 引言  75-77
  4.2 系统模型  77-79
    4.2.1 多小区协作模型  77-78
    4.2.2 最优化问题  78-79
  4.3 次优子载波和功率分配  79-84
    4.3.1 最优子载波和功率分配  79
    4.3.2 协作小区选择  79-80
    4.3.3 次优子载波分配  80-82
    4.3.4 最优功率分配  82-84
  4.4 仿真结果与性能分析  84-92
    4.4.1 仿真场景设置  84-85
    4.4.2 对比方案设计  85-86
    4.4.3 优化指标对比分析  86-92
  4.5 本章小结  92-93
  参考文献  93-96
第五章协作频谱共享模式和功率分配研究  96-111
  5.1 引言  96-98
  5.2 系统模型和问题公式化  98-100
    5.2.1 系统模型  98-100
    5.2.2 问题公式化  100
  5.3 最优分布式功率分配  100-103
    5.3.1 变分不等式问题  101
    5.3.2 变分不等式方法求纳什均衡解  101-103
  5.4 仿真结果与性能分析  103-107
  5.5 本章小结  107-108
  参考文献  108-111
第六章结束语  111-113
  6.1 本文的工作总结  111-112
  6.2 下一步研究计划  112-113
附录  113-115
致谢  115-117
作者攻读博士学位期间取得的学术成果  117-118

无线协作通信系统中资源管理和优化技术研究

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