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認知與協(xié)作視角下無線通信網(wǎng)絡之若干重要技術(shù)分析
第一章緒論
1.1論文的研究背景
近年來，伴隨著無線通信技術(shù)的飛躍發(fā)展和移動用戶的數(shù)量急劇增加，用戶對各種實時多媒體業(yè)務的需求不斷增加，這就要求下一代移動通信系統(tǒng)⑴，即超3 代(Beyond 3G，B3G) /第四代(the Generation，4G)移動通信系統(tǒng)，或者稱先進的國際移動通信(International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced)系統(tǒng)，在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時，確保不同通信業(yè)務的服務質(zhì)量(Quality of Service，QoS)需求，因此必須采用更加先進的算法和技術(shù)。為了實現(xiàn)這一目標，科研人員已經(jīng)做了大量的理論研究，主要包括先進的信號處理和檢測技術(shù)、信道的編碼和調(diào)制技術(shù)、以及各種分集技術(shù)。其中，由于無線信道的多徑衰落特性是影響QoS改善和系統(tǒng)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)是對抗無線信道衰落的一種有效的技術(shù)，其基本思想是發(fā)射機通過相互獨立的衰落信道傳輸同一信號旳多個副本，以降低接收端無法識別信號的概率。目前，常見的分集方式有空間分集、時間分集和頻率分集，其中空間分集無需占用系統(tǒng)額外的帶寬和時間資源，從不同的位置(天線)發(fā)送和接收信號，并容易與其他的分集方式相結(jié)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，通過實現(xiàn)空間分集來對抗衰落問題，提高信道容量。同時，當無線信道散射條件較為嚴重時，通過在空間中產(chǎn)生多個獨立的并行信道用以同時傳輸多路信號，獲得數(shù)據(jù)速率的大幅提升。因此，MIMO技術(shù)成為B3G/4G通信系統(tǒng)巾的一項關(guān)鍵技術(shù)。然而，因天線間距、視距傳播等因素引起的天線間的相關(guān)性，以及便攜式移動終端難以安置多跟天線的難題，使得理想的MIMO技術(shù)的實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)作通信使得單天線移動終端可以實現(xiàn)類似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的節(jié)點之間相互協(xié)作，共享彼此的天線，從而形成虛擬的天線陣列，獲得近MIMO的性能增益。
協(xié)作通信的工作過程主要包括廣播階段和協(xié)作階段。在廣播階段，源節(jié)點向周圍的巾繼節(jié)點廣播將要發(fā)送的數(shù)據(jù);在協(xié)作階段，中繼節(jié)點將接收到的源節(jié)點信號經(jīng)某種協(xié)作方式(放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)、編碼轉(zhuǎn)發(fā)等)發(fā)送給目的節(jié)點。與傳統(tǒng)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)，無線信道，無線網(wǎng)絡等綜合進行設(shè)計和優(yōu)化，可大幅度的提高系統(tǒng)可實現(xiàn)性和無線資源的使用效率，從而為小型移動終端的MIMO實用化提供了新的思路和解決辦法。近年來，關(guān)于協(xié)作通信技術(shù)在蜂窩移動通信網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡、無線Ad Hoc網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)等無線通信領(lǐng)域中的研究和應用已成為熱點之一，備受學者們關(guān)注。協(xié)作通信技術(shù)可與現(xiàn)有的其他先進通信技術(shù)進行靈活地結(jié)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(jié)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;與空時編碼、網(wǎng)絡編碼等編碼技術(shù)相結(jié)合，以獲得編碼增益[12]。
另一方面，移動無線通信逐漸向?qū)拵Щ椭悄芑姆较虬l(fā)展，人們對無線通信的傳輸速率要求越來越高，對無線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，制約著無線通信技術(shù)的發(fā)展。然而，現(xiàn)有的固定頻譜分配機制卻使得無線頻譜資源在時域和頻域上不同程度地被閑置和浪費。聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)提供的數(shù)據(jù)表明[13]，在30MHz-3GHz的頻段上，無線頻譜利用率平均為5.2%,而在使用率最高的紐約市也不過為13.1%。圖1-1 為美國加州大學伯克利分校無線研究中心對伯克利市區(qū)頻譜使用情況的實地測量結(jié)果。由圖可見，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(xiàn)象相矛盾。
為了解決以上矛盾，1999年，瑞典皇家技術(shù)學院的MitolaJ博士首次在軟件無線電(Software Defined Radio, SDR)的基礎(chǔ)上提出認知無線電(Cognitive Radio，CR)的概念。CR打破了傳統(tǒng)僵化的無線頻譜資源管理和使用機制，允許無線通信系統(tǒng)對周圍的通信環(huán)境進行感知，并根據(jù)環(huán)境的變化自適應調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以更加高效、靈活的方式進行動態(tài)頻譜接入(Dynamic Spectrum Access，DSA)，以提高無線頻譜資源在時間和空間上的利用率，并實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理。目前，CR技術(shù)已被公認為是解決無線頻譜資源短缺問題的最佳途徑之一[15][16]，受到了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
第二章協(xié)作通信與認知無線網(wǎng)絡中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1引言
在下一代移動通信系統(tǒng)中，用戶對各種實時寬帶多媒體業(yè)務的需求急劇增長，因此，必須采用更加先進的無線通信技術(shù)來提高數(shù)據(jù)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(chǔ)上，提升信道容量，增加無線鏈路的可靠性，是目前的研究熱點之一�，F(xiàn)有的大部分研究工作都以假定協(xié)作中繼節(jié)點己被指定好為前提，在此基礎(chǔ)上研究協(xié)作通信的編碼策略、誤碼率(Bit Error Rate, BER)、中斷概率、無線資源分配等問題。事實上，如何選擇合適的中繼節(jié)點進行協(xié)作傳輸，對于系統(tǒng)性能的提升至關(guān)重要，換言之，中繼節(jié)點選擇是一個值得研究的問題。眾所周知，頻譜選擇性衰落會導致接收端的符號間干擾(Inter-symbol Interference, ISI)，進而降低通信質(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，實現(xiàn)子信道的無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(jié)合起來，具有非常重要的研究和應用價值。在OFDM協(xié)作中繼網(wǎng)絡中，如何合理、高效地進行子載波分配和功率控制是無線資源管理(Radio Resource Management，RRM)的主要研究內(nèi) .容，但并不僅限與此。RRM是的H標是在資源有限的條件下，動態(tài)調(diào)整和靈活分配系統(tǒng)的可用資源，最大限度地提高資源利用率，為用戶終端提供服務質(zhì)量 (Quality of Service, QoS)保障。認知無線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)為緩解可用頻譜資源的匱乏與日益增長的無線接入需求與之間的矛盾提供了一個可行的思路，使認知用戶(Secondary User, SU)和主用戶(Primary User, PU)可以共享頻譜，從而提高了頻譜利用率。認知無線網(wǎng)絡是CR的網(wǎng)絡化，以端到端的性能為H標，將認知特性與無線通信網(wǎng)絡進行整體研究。它涵蓋的研究內(nèi)容非常豐富，涉及到網(wǎng)絡架構(gòu)的設(shè)計、頻譜檢測技術(shù)、頻譜共享方式、動態(tài)頻譜管理等多方面的關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，認知無線網(wǎng)絡需要根據(jù)動態(tài)頻譜感知信息來確定頻譜接入策略和重配置(Reconfiguration)的網(wǎng)絡參數(shù)。若像傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡那樣，采用分層獨立設(shè)計，則認知無線網(wǎng)絡各協(xié)議層的通信模塊功能無法自適應動態(tài)頻譜特性，因此需要對協(xié)議棧進行跨層設(shè)計(Cross-layer Design, CLD)，以獲得較好的系統(tǒng)性能。
第三章 協(xié)作無線通信網(wǎng)絡中多中繼選擇...................... 57-75
3.1 引言..................... 57-59
3.2 系統(tǒng)模型 .....................59-61
3.3 多中繼協(xié)作節(jié)點選擇機制..................... 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 拉格朗日對偶問題..................... 65-66
3.4.3 次梯度投影算法..................... 66-67
3.5 仿真結(jié)果與性能分析..................... 67-72
3.6 本章小結(jié)..................... 72
參考文獻 .....................72-75
第四章 協(xié)作與認知無線通信網(wǎng)絡中..................... 75-101
4.1 引言 .....................75-77
4.2 協(xié)作與認知網(wǎng)絡中TCP吞吐量分析 .....................77-81
4.3 基于主用戶Qos保證的認知..................... 81-83
4.3.1 主用戶鏈路的中斷概率.....................81
4.3.2 認知用戶的傳輸功率 .....................81-83
4.4 Restless Bandits問題建模 .....................83-85
4.5 Restless Bandits問題求解..................... 85-89
4.6 仿真結(jié)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)作與認知無線通信網(wǎng)絡..................... 101-128
5.1 引言..................... 101-103
5.2 系統(tǒng)模型 .....................103-109
5.3 多媒體傳輸?shù)穆适д鎯?yōu)化..................... 109-111
5.4 基于POMDP方法的問題建模 .....................111-114
5.5 POMDP問題求解 .....................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(jié)果與性能分析..................... 117-124
5.7 本章小結(jié) .....................124
結(jié)論
本論文以認知無線網(wǎng)絡巾的協(xié)作傳輸為核心，以認知用戶端到端的性能優(yōu)化為目標展開研究，討論了協(xié)作通信中的中繼節(jié)點選擇和資源分配、協(xié)作與認知無線通信網(wǎng)絡中的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)絡中的機會多中繼選擇策略及最優(yōu)功率分配算法。為延長平均網(wǎng)絡生存時間，在中繼選擇的過程中綜合考慮瞬時信道狀態(tài)信息和節(jié)點的剩余能量信息，避免了信道條件好的中繼節(jié)點過度使用的情況，并且實現(xiàn)了多個巾繼節(jié)點參與協(xié)作傳輸?shù)?ldquo;涌現(xiàn)”增益。在此基礎(chǔ)上，以最大化信道容量為目標，在系統(tǒng)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(jié)點和協(xié)作中繼節(jié)點的功率進行最優(yōu)分配。
2.提出了 Underlay協(xié)作與認知無線通信網(wǎng)絡中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(shè)的門限值。從跨層設(shè)計的角度考慮了動態(tài)頻譜特性、最佳中繼選擇策略、物理層的自適應調(diào)制與編碼機制、MAC的自動重傳機制、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)絡生存時間的影響。將支持協(xié)作通信的認知無線網(wǎng)絡描述為一個Restless Bandits系統(tǒng)，利用其優(yōu)先權(quán)-索引特性，通過線性規(guī)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(shè)計的方法優(yōu)化了協(xié)作與認知無線通信網(wǎng)絡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(nèi)刷新率進行優(yōu)化，使之自適應當前的網(wǎng)絡狀況。由于漏檢和誤檢情況的發(fā)生，頻譜占用狀態(tài)無法直接觀察，因而將協(xié)作與認知無線通信網(wǎng)絡中的信道感知和信道接入描述為部分可觀測馬爾可夫過程(POMDP)。通過動態(tài)規(guī)劃算法和值函數(shù)得出POMDP問題的最優(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。
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