【摘要】：隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的廣泛普及,無線設(shè)備以及相關(guān)的應(yīng)用大幅增加,無線頻譜的巨大需求與有限的頻譜資源之間的矛盾變得愈發(fā)突出。應(yīng)運(yùn)而生的認(rèn)知無線電技術(shù)以期使動態(tài)頻譜接入的設(shè)想成為可能,通過提升頻譜有效性,來滿足增長的頻譜需求。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,次級用戶可以在不損害初級用戶通信的前提下,使用授權(quán)頻譜進(jìn)行通信,從而提升頻譜利用率。為了充分利用授權(quán)頻譜,次級用戶需要進(jìn)行頻譜感知、頻譜分析、頻譜切換等操作,這些操作及相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸將極大消耗能量。因此,如何有效的提升能量有效性,成為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)亟待解決的問題之一。能量收集技術(shù)從周邊能量源收集能量為通信設(shè)備供電,具有無污染、潛在可以利用的能量無限制等優(yōu)點,被視為提升通信網(wǎng)絡(luò)能量有效性的有效技術(shù)之一。因此,將能量收集技術(shù)與認(rèn)知無線電技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,衍生出具有能量收集能力的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),可兼顧頻譜有效性和能量有效性,成為目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點問題之一。關(guān)于能量收集技術(shù)的資源管理方案雖已取得一定進(jìn)展,但是大多數(shù)針對于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。由于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)具有頻譜感知、頻譜分析、頻譜切換等獨(dú)有功能,已有的能量收集資源管理方案在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中性能較差或不再適用。此外,已有的考慮能量收集技術(shù)的資源規(guī)劃方案主要關(guān)注于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),對于系統(tǒng)狀態(tài)(包括信道狀態(tài)、能量收集狀態(tài)等)動態(tài)變化的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中資源的規(guī)劃問題,目前研究較少。本文針對上述內(nèi)容,對能量收集認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的資源管理問題進(jìn)行了深入詳細(xì)的研究,主要內(nèi)容包括:1.針對能量收集與數(shù)據(jù)傳輸順序進(jìn)行的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),研究了能量收集時間和傳輸功率的聯(lián)合優(yōu)化問題。提出了根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)調(diào)整能量收集時間以及傳輸功率的最優(yōu)策略。此外提出了一種次優(yōu)策略,并推導(dǎo)出次優(yōu)策略與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)間的閉合表達(dá)式。具體而言:1)綜合考慮信道狀態(tài)的多樣性、授權(quán)頻譜的可用性、以及感知錯誤的存在性,推導(dǎo)出由信道狀態(tài)與可用能量構(gòu)成的系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)變化方程,構(gòu)建表明長期吞吐量的價值函數(shù);2)提出最優(yōu)策略,該最優(yōu)策略可根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài),分別指定能量收集時間及傳輸功率;3)證明出存在一個由電池容量決定的門限值,當(dāng)可用能量小于該門限值時,最佳長期吞吐量隨可用能量的增加單調(diào)遞增;4)介紹了一種次優(yōu)策略。證明出次優(yōu)策略與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)間的閉合表達(dá)式,大幅降低得到次優(yōu)策略的計算消耗。2.針對采用周期性頻譜感知的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),認(rèn)識到信道感知以消耗時間資源與能量資源為代價換取感知準(zhǔn)確性的提升,以及傳輸功率的合理設(shè)置對于提升系統(tǒng)表現(xiàn)的重要作用,提出了面向長期中斷概率最小化的優(yōu)化信道感知時間和傳輸功率的最優(yōu)策略,以及復(fù)雜度較低的次優(yōu)策略。具體來說:1)綜合考慮信道狀態(tài)、可用能量以及動態(tài)變化的能量收集過程,對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模,設(shè)計出表明長期中斷概率的價值函數(shù);2)提出根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài),動態(tài)調(diào)整感知時間及傳輸功率,從而最小化長期中斷概率的最優(yōu)策略。證明出最優(yōu)的長期中斷概率隨著可用能量單調(diào)遞減;3)提出算法復(fù)雜度較低的次優(yōu)策略。該次優(yōu)策略的表現(xiàn)隨著次級用戶接收信號信噪比的增加逐漸趨近于最優(yōu)策略,并最終表現(xiàn)相同。3.針對周期性頻譜感知的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),對通過聯(lián)合優(yōu)化信道感知時間和傳輸功率,從而最大化長期吞吐量的問題,進(jìn)行了分析。提出了使長期吞吐量最大化的最優(yōu)策略。證明出在接收到初級用戶信號信噪比足夠高時,最優(yōu)傳輸功率隨可用能量單調(diào)遞增。此外,提出了一種低復(fù)雜度的次優(yōu)策略。具體來說:1)對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模,設(shè)計出表明長期吞吐量的價值函數(shù);2)提出了根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài),動態(tài)決定感知時間及傳輸功率,從而使系統(tǒng)長期吞吐量最大化的最優(yōu)策略;3)理論上證明出當(dāng)次級用戶接收到的初級用戶信號的信噪比足夠高時,最佳傳輸功率與可用能量之間單調(diào)性相關(guān)。提出了低復(fù)雜度的次優(yōu)策略。該次優(yōu)策略的表現(xiàn)在接收到初級用戶信號信噪比足夠高時,與最優(yōu)策略的表現(xiàn)相當(dāng)。4.針對采用按需進(jìn)行頻譜感知的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),研究了頻譜感知決策與傳輸功率動態(tài)分配的資源優(yōu)化問題。提出動態(tài)做出頻譜感知決策,以及確定相應(yīng)傳輸功率的最優(yōu)資源管理策略。此外,提出一種次優(yōu)策略,理論證明出該次優(yōu)策略的感知決策與可用能量之間存在門限效應(yīng)。具體來說:1)綜合考慮由信道狀態(tài)、能量收集狀態(tài),以及當(dāng)前可用能量組成的系統(tǒng)狀態(tài),推導(dǎo)出不同感知決策以及傳輸功率下系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布,對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模,設(shè)計出表示長期吞吐量的價值函數(shù);2)提出最優(yōu)頻譜接入策略。該策略根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài),動態(tài)決定是否接入頻譜進(jìn)行頻譜感知,以及相應(yīng)傳輸功率;3)設(shè)計出次優(yōu)策略。證明出次優(yōu)策略的頻譜感知決策與可用能量之間存在門限效應(yīng)。提出獲得次優(yōu)策略的有效算法。
【圖文】：

本文中所研究內(nèi)容也主要針對交織式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。逡逑在交織式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，為了有效的利用空閑頻譜，頻譜管理過程主要逡逑包含四個功能模塊［１１］［１２］，如圖１所示，分別為頻譜感知及監(jiān)測、頻譜分析、頻譜逡逑決策、和頻譜移動。下面分別對上述四個功能模塊進(jìn)行闡述：逡逑（１）頻譜感知及監(jiān)測［１３］［１４］邋（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋Ｓｅｎｓｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）：通過頻譜感逡逑知，次級用戶能夠檢測出當(dāng)前未被初級用戶使用的頻譜資源，稱之為頻譜空穴逡逑（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋Ｈｏｌｅｓ，ＳＰ），并利用頻譜空穴進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果次級用戶己經(jīng)利用逡逑頻譜空穴進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則該頻譜空穴將被實時監(jiān)測以確定原始的初級用戶是否逡逑出現(xiàn)使用該授權(quán)頻譜。目前，，頻譜感知技術(shù)通常分為兩種［１５＼邋—種為周期式逡逑（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ）頻譜感知心１８］，另一種為按需式（Ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ）頻譜感知［１９＿２１］。周期逡逑式頻譜感知是指次級用戶間隔相同的時間、周期性的對頻譜使用狀況進(jìn)行感知。逡逑這種方式可以持續(xù)性的尋找和跟蹤頻譜空穴。此外，周期式感知的結(jié)果還可以用逡逑２逡逑

圖２認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)資源管理總結(jié)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２邋Ｓｕｍｍａｒｙ邋ｏｆ邋ＣＲ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ逡逑１．４研究意義及創(chuàng)新點逡逑采用能量收集技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)雖然能夠同時提升頻譜和能量的有效逡逑性，但由于能量收集技術(shù)從周圍環(huán)境中收集到的能量具有動態(tài)性、時變性、隨機(jī)逡逑性等特點，因此也對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的資源管理技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。在本節(jié)，逡逑我們將介紹本論文的主要研宄內(nèi)容及創(chuàng)新點。逡逑在應(yīng)用了能量收集技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，與傳統(tǒng)的電池供電或電網(wǎng)供電逡逑的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)最大的不同，是收集到的能量具有動態(tài)性、時變性、隨機(jī)性等逡逑特點。而傳統(tǒng)的資源管理方案均在確定性的能量供給的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，這使得逡逑己有的資源管理方案在能量收集認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)較差或者不再適用，資源逡逑管理問題需要重新進(jìn)行考慮［６９］。同時，目前在能量收集認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中提出的逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN925

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本文編號：2709836