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协作认知网络中无线信息与能量同传技术的研究

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协作认知网络中无线信息与能量同传技术的研究

作者：鲁一民北京邮电大学

学位级别：硕士

本文研究了协作认知网络中的无线信息与能量同传技术。协作认知网络,作为一项将认知无线电和协作通信技术相结合的技术,是当前学术界的研究热点。另一方面,无线信息与能量同传(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SW... 详细信息

本文研究了协作认知网络中的无线信息与能量同传技术。协作认知网络,作为一项将认知无线电和协作通信技术相结合的技术,是当前学术界的研究热点。另一方面,无线信息与能量同传(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术因具有能够同时传输能量和信息的特点,而成为了解决传统无线通信网络能量受限问题的有效手段。SWIPT技术与协作认知网络的结合,为目前无线通信发展过程中遇到的瓶颈提供了新的解决思路。本文首先研究了基于SWIPT的单向协作认知网络中的关键技术,研究重点为网络的性能分析。为此本文提出了一种基于时间-功率的动态协作频谱共享协议;在此基础上,针对放大转发和解码转发两种中继策略,分析了主用户网络和次用户网络中断概率的解析表达式。对于理论推导结果,本文通过蒙特卡洛仿真进行了验证,并分析了各个系统参数对网络性能的影响。实验表明,相比一般协议,在发射功率一定的情况下,本文所提出的协议能够将网络吞吐量提高40%以上。其次,本文研究了基于SWIPT的双向协作认知网络中的中继选择问题,并通过机器学习技术避免了对复杂优化问题的求解。在多对次用户的双向协作认知网络场景下,本文提出了一种适用于中继选择的携能传输协议;基于该协议,进一步提出了两种基于神经网络的中继选择策略。本文详细说明了数据的生成方式和损失函数的选择,并据此设计了最优的神经网络结构。实验表明,在发射功率一定的情况下,本文所提出的中继选择策略可以在无需全局信道状态信息的情况下达到与理想中继选择方案极其接近的网络性能,同时相比于传统的中继选择策略可以带来最大60%的吞吐量提升。本文分别针对SWIPT使能的单中继和多中继协作认知网络,研究了系统性能分析和中继选择问题。提出的适用于协作认知网络的SWIPT传输协议和基于神经网络的中继选择方法,能够有效提升系统的吞吐量,为后续的相关研究提供了参考。

关键词：协作认知网络 SWIPT 中断概率中继选择神经网络

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能量收集协作认知网络中的资源分配算法研究

能量收集协作认知网络中的资源分配算法研究

作者：王雅晴重庆大学

学位级别：硕士

5G物联网海量终端接入给频谱效率、能源消耗和远距离通信带来了新的挑战,通过将射频能量收集和协作通信技术引入到认知网络中,可在提高频谱效率的同时延长网络寿命和扩大覆盖范围。但是认知网络对发射功率的约束性可能会使中继节点收集... 详细信息

5G物联网海量终端接入给频谱效率、能源消耗和远距离通信带来了新的挑战,通过将射频能量收集和协作通信技术引入到认知网络中,可在提高频谱效率的同时延长网络寿命和扩大覆盖范围。但是认知网络对发射功率的约束性可能会使中继节点收集到的能量太少导致系统发生中断;频谱访问和能量收集时间的灵活性使得能量收集的随机性高且协作机制的有效性低。如何设计有效的资源分配方案在保障通信质量的前提下提升网络性能是当前需要解决的重要问题。论文分别针对线性能量收集单中继协作认知网络和非线性能量收集多中继协作认知网络两种场景开展研究,并根据两种应用场景的特性提出两个不同的资源分配方案。论文主要工作如下:(1)在线性能量收集单中继协作认知网络场景中,考虑到协作认知网络的约束性使得中继节点收集到的能量有限从而链路中断的问题,论文提出一种以发射功率、能量和通信连续性为约束条件的时间功率资源分配方案,重点研究网络总吞吐量优化问题。该资源分配方案依据通信特性对问题进行化简,优先保障近距离用户通信质量;引入松弛变量将非凸问题转化为凸优化问题,并用海森矩阵证明其凸性;基于分层优化思想将问题分解为发射功率控制和时间分配两个子问题,利用次梯度下降法和线性优化完成功率和时间的分配。仿真结果表明该资源分配方案与以端到端吞吐量为优化目标的资源分配方案相比,总吞吐量大约提升了1.3%,有效提高了网络总吞吐量。(2)在非线性能量收集多中继协作认知网络场景中,针对能量收集不确定性高和协作机制效率低问题,提出一个基于遗传算法的多中继时间功率资源分配算法以均衡网络吞吐量和覆盖范围。论文在满足非线性能量收集电路对输入功率的要求以及协作认知网络对发射功率限制的前提下,设计一个均衡网络总吞吐量和覆盖范围的适应度函数,选出种群中的优良个体;通过交叉和变异运算防止陷入局部最优解;利用迭代运算在可行解范围内搜索得到最优解。仿真分析可知,论文所提资源分配方案与单一优化目标的资源分配方案相比,在同一发射功率下,总吞吐量和覆盖范围分别提高了6.6%和4.1%。

关键词：能量收集协作认知网络资源分配总吞吐量覆盖范围

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MIMO协作认知网络中自适应传输技术研究

MIMO协作认知网络中自适应传输技术研究

作者：孔欣怡西安电子科技大学

学位级别：硕士

伴随着无线通信业务的蓬勃发展,人们对数据速率、网络覆盖范围和可靠性等通信的性能参数提出了更高的要求,而这也对无线频谱资源的利用提出了新的挑战。认知无线电技术通过频谱监测寻找可被利用的频谱空洞,实现认知用户的动态频谱接入,... 详细信息

伴随着无线通信业务的蓬勃发展,人们对数据速率、网络覆盖范围和可靠性等通信的性能参数提出了更高的要求,而这也对无线频谱资源的利用提出了新的挑战。认知无线电技术通过频谱监测寻找可被利用的频谱空洞,实现认知用户的动态频谱接入,提高了传统固定频谱分配方案下的频谱效率。将MIMO和协作中继与认知无线电技术相结合,认知用户通过协助授权通信,获得接入授权频谱通信的机会,且不对授权用户造成干扰。这种MIMO-CCRN系统由于能够大幅度提高频谱利用率,成为通信领域一大新的研究热点。本论文对MIMO-CCRN中的空间信号处理及相关传输技术进行了研究,主要贡献有:第一、针对MIMO-CCRN系统,设计一种综合利用干扰消除和多天线信号处理手段的协作传输机制。选择部分认知用户作为中继,以时分复用的方式协助授权用户完成通信;作为回报,认知用户获得传输机会。所提策略在第二时隙采用干扰消除,利用已知信息消除干扰信息,实现授权通信与认知通信的并发传输。在两个时隙均采用迫零波束成形算法,使期望信号和干扰信号位于相互正交的子空间,实现空域资源的有效利用。并利用匹配滤波,实现尽可能好的授权通信性能。此外,分别从时隙划分和功率控制两个角度,设计相应的自适应算法,消除多跳链路中的瓶颈效应,提升授权信号的端到端传输性能。仿真结果表明,该方法能够明显提升系统频谱效率,实现授权用户与认知用户的双赢。第二、在满足各用户服务质量要求的前提下,以最小化系统的总发射功率为目标,提出了一种MIMO-CCRN系统中,联合波束成形和功率控制的优化算法。首先,利用拉格朗日松弛定理,转换原非凸优化问题为等效的半正定优化问题,通过内点法求解。其后,引入广义特征值问题,对结果进行迭代优化。所提策略能够消除并发传输间的相互干扰,提高频谱效率。文末,对本论文的研究工作进行总结,并梳理下一步研究方向。

关键词：协作认知网络多输入多输出波束成形半正定优化自适应

认知网络中基于主动协作的频谱共享与功率分配

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认知网络中基于主动协作的频谱共享与功率分配

作者：姜明阳中南大学

学位级别：硕士

协作认知网络融合了认知无线电技术和协作通信技术,可以有效提高频谱资源利用率。然而传统的认知无线网络由于其固有的动态异构特性,主用户对频谱具有优先使用权,频谱共享缺乏灵活性。为此,本文在主用户和认知用户间引入主动协作机制,... 详细信息

协作认知网络融合了认知无线电技术和协作通信技术,可以有效提高频谱资源利用率。然而传统的认知无线网络由于其固有的动态异构特性,主用户对频谱具有优先使用权,频谱共享缺乏灵活性。为此,本文在主用户和认知用户间引入主动协作机制,进一步提高网络资源的利用效率。主动协作的引入给认知无线网络中的资源分配问题带来新的挑战。本文致力于研究如何优化主动协作机制中的频谱共享与功率分配,寻求提高频谱效率和能量效率的解决方案。首先,为了解决协作认知网络中频谱利用率不高的问题,提出一种新颖的主动协作频谱共享机制。根据认知无线网络的频谱产权特性,分析节点间的利益和协作关系,将主用户与认知用户间的填充式频谱共享行为建模为Stackelberg主从博弈模型。主用户将部分频谱动态租赁给认知用户,从而激励认知用户主动加入主用户的协作传输中,提高通信性能,同时获得额外的收益;加入协作的认知用户则获得一定的频谱带宽传输自己的数据,并保证通信的连续性和频谱接入的公平性。采用逆向归纳法得到博弈均衡解,最终达到主用户和认知用户的“双赢”局面,优化整个网络性能。其次,考虑多主用户多认知用户共存的复杂动态认知网络,针对通信环境和通信需求的差异性,克服能量受限问题,提出一种主动协作机制中分布式增强学习的功率分配算法。建立分布式主动协作机制下的功率分配模型;在此基础上,引入第二价格拍卖机制,实现用户间的信道匹配;设计功率分配与频谱共享问题的数学模型和效用函数,考虑节点剩余能量,在满足节点QoS前提下,进行功率分配优化。并通过增强学习机制进行策略更新,减小环境不确定和信道状态信息不完美对通信性能的影响。最后,通过仿真实验对所提的主动协作机制下的频谱共享和功率分配算法进行性能分析和结果验证。仿真结果表明,相比于以往的频谱共享和功率控制算法,本文算法能够很好的改善系统通信性能。

关键词：协作认知网络主动协作 Stackelberg博弈增强学习

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可充电协作认知无线网络的中断性能分析

可充电协作认知无线网络的中断性能分析

作者：何静西南大学

学位级别：硕士

近年来,基于无线通信的智能设备、应用以及服务呈现出了爆发式的增长。然而,无线通信可用的频谱资源有限。在目前的频谱分配机制下,频谱的利用率较低。因此,可提高频谱利用率的认知无线电技术引起了专家和学者们的广泛关注。基于认知无... 详细信息

近年来,基于无线通信的智能设备、应用以及服务呈现出了爆发式的增长。然而,无线通信可用的频谱资源有限。在目前的频谱分配机制下,频谱的利用率较低。因此,可提高频谱利用率的认知无线电技术引起了专家和学者们的广泛关注。基于认知无线电技术的通信系统可以充分利用有限的频谱资源,并提供质量更好的服务。另外,无线传输的特性决定了传统无线通信系统的传输速率和服务质量无法满足很高的要求。因此,能够同时提高无线通信的质量以及频谱利用效率的协作认知网络非常值得研究。再者,作为一个无线通信系统普遍存在的问题,持续的能量供给也是协作认知网络中的一个重要的问题。因此,本论文将携能通信技术应用于协作认知网络。本论文主要从信息论的角度,针对可充电协作认知网络的通信质量以及物理层安全这两个问题进行了研究,并且就不同参数对系统通信质量以及安全性能的影响进行了详细的分析。另外,本论文还针对可充电协作认知网络中不同的协作策略,即单个中继和多个中继协作,分别进行了研究。并且,对这两种协作策略可实现的性能进行了对比分析。考虑到Nakagami-m衰落信道比Rayleigh衰落信道更接近实际无线信道,所以本论文采用Nakagami-m衰落信道。具体来讲,本论文的主要研究内容及成果如下:第一,分析了可充电协作认知网络中的主用户在单中继协作和多中继协作机制下,分别可实现的速率的表达式。然后,根据中断概率的定义,得到了主用户分别采用单中继和多中继协作时,中断概率的具体表达式。第二,研究了不同系数对系统中断性能的影响并对直接传输,单中继协作以及多中继协作在不同系数下的中断性能进行了对比。其中,就次要用户可实现的速率以及主用户可实现的速率的折衷这一指标来讲,单中继协作策略优于直接传输和多中继协作。也就是说,在采用单中继协作策略的系统中,次要用户可以获取到更多的利益。第三,针对可充电协作认知网络中的安全中断问题进行了研究,分析了可充电协作认知网络在单中继和多中继协作策略下主用户分别可实现的安全容量,并根据安全中断概率定义,通过推导得到了具体的表达式。第四,研究了不同系数对系统安全性能的影响,并对单中继协作以及多中继协作策略下的安全中断性能进行了对比,发现单中继协作策略下主用户的安全中断性能优于多中继协作策略。

关键词：协作认知网络携能通信中断概率安全中断概率 Nakagami-m衰落信道

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基于博弈论的网络选择和动态资源分配策略

基于博弈论的网络选择和动态资源分配策略

作者：翟兰杰北京邮电大学

学位级别：硕士

无线网络的发展趋势是多种无线接入技术共存,共同为用户提供服务。这些无线接入技术在覆盖范围、系统容量、及移动性等方面都有自己的优势,将他们进行互补融合成的异构网络,可以使任何用户终端随时随地进行高质量通信。在异构网络的关... 详细信息

无线网络的发展趋势是多种无线接入技术共存,共同为用户提供服务。这些无线接入技术在覆盖范围、系统容量、及移动性等方面都有自己的优势,将他们进行互补融合成的异构网络,可以使任何用户终端随时随地进行高质量通信。在异构网络的关键技术中,网络选择问题是一个重要的研究热点,即用户终端根据一定的策略从多种接入技术共存的环境中选择出最恰当的接入技术。目前,频谱资源的利用率较低及人们对宽带业务需求的不断增加,导致频谱资源变得越来越紧缺。认知无线电通过感知可用的频谱资源可以实现主次用户共享频谱,从而提高频谱利用率,这使得它得到了研究者的广泛研究。其中,有效的资源分配算法就是一个亟待解决的关键问题,尤其是在协作认知网络中。本文的主要工作如下：首先,提出一个基于乘性多属性拍卖的网络选择算法,该算法以实现用户的最大性价比和网络负载平衡为目标。具体的过程包括三个阶段,第一阶段是将能够满足用户最小速率要求的网络作为候选网络;第二阶段是将搜索到的网络参数输入到所设计的效用函数中得到网络的性能,及将负载强度因子等参数输入到所设计的成本函数中,得到用户所需要的成本;第三阶段是选择具有最大性价比的网络作为最优接入网络。仿真表明,该算法不仅可以实现网络的负载均衡、用户的性价比最大,还可以使得整个异构网络中容纳的用户数达到最大。其次,提出一种在协作认知网络中基于联盟图博弈的中继选择和动态资源分配算法。其最优化目标是在保证不对主用户造成干扰情况下,最大化用户公平性和系统吞吐量。算法实现的过程包含三个阶段,第一阶段是根据最大匹配二部图法选择出符合要求的联盟头;第二阶段是采用资源越丰富的用户节点来帮助越需要帮助的用户节点,从而形成联盟图结构,即完成中继选择和资源分配过程;第三阶段是采用注水算法在已分配给用户的信道上分配功率。仿真表明,该算法能够在不降低用户公平性的条件下提高系统吞吐量,并且当环境发生变化时,比如多种业务的存在或用户的移动性,能够自适应地形成联盟,不影响系统性能。

关键词：异构融合网络网络选择乘性多属性拍卖协作认知网络联盟图博弈中继选择和资源分配