认知无线电网络中能量分配和频谱共享的研究

摘要

近几年，通信行业发展迅速，频谱资源短缺的问题变得越来越突出。同时随着通信终端多样性、智能化以及宽屏化的发展，个人移动设备的耗电量也变得越来越不容忽视。如何提高无线通信系统的频谱利用率同时降低能量消耗是目前急需解决的问题之一。
　　频谱共享和能量采集是为了改进带宽和能量效用用来满足与日俱增的无线数据传输的需求，本文进行了如下工作。
　　1.本文面向认知无线电网络提出一种有效的基于中继频谱共享协议。其中，次用户(Secondary User，SU)能隐约地从主用户(Primary User，PU)传输信号中采集无线电频谱能量。次用户可以利用采集到的能量协助主用户PU数据传输以至于换取频谱接入的机会。次用户传输机采用Alamouti coding和Superpositioncoding技术促进中继主用户数据和传输次用户数据。次用户接收机采用联合编码和干扰相消技术以恢复检索想要的信号。主用户数据中继分配功率越多，对主用户来说就能获得更高的吞吐量。在确保主用户吞吐量满足的情况下，根据最大化次用户SU吞吐量优化功率分配。试验结果表明本文给出的协议能显著改进系统吞吐量，同时揭示了不同系统设置对于网络部署的影响。
　　2.研究在认知无线电网络中带有能量采集的协作频谱共享，其中所有主用户和次用户是重叠在二维空间。本文提出一种可以促进能量采集和数据传输的算法。每个主用户应该从由接入点发送的无线信号上采集能量，且所有的接入点和次用户有稳定的能量供应。为了改进能量采集效率，在每个主用户之间应用一种能量采集区域，其中与主用户距离最近的次用户被选中转换无线能量。主用户可以利用采集的能量在相反的链路上传输数据到接入点。但是由于微弱的传输功率和严重的路径损失更可能导致数据传输失败。在这种情况下，一种协作区域被应用在每个主用户和它对应的接入点之间，其中一个合适的且指向接入点信道状态信息条件最好的次用户发射机被选中来转发主用户数据。由于次用户的协作，主用户系统性能需求很容易满足，因此一部分带宽释放出来共享给次用户数据传输。在主用户系统性能限制情况下，以最大化次用户系统的区域吞吐量为目标列出优化问题。随后，通过利用随机几何理论来分析网络系统的性能优化分配带宽和时间资源。实验结果证实了本文的理论分析及展示对各种系统设置的影响。

目录

声明

摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 认知无线电的研究意义

1．4 本文的主要内容和章节安排

1．4．1 本文的主要内容

1．4．2 本文的章节安排

第2章 理论基础知识与应用

2．1 认知无线电网络主要研究内容

2．2 能量采集主要研究内容

2．3 协作通信技术

2．4 认知无线电技术的应用

2．4．1 在超宽带(UWB)系统中的应用

2．4．2 在WRAN中的应用

2．4．3 在WLAN中的应用

2．4．4 在Ad Hoc网络中的应用

2．4．5 在网状(Mesh)网中的应用

2．4．6 在多入多出(MIMO)系统中的应用

2．5 频谱共享

2．5．1 频谱共享技术分类

2．5．2 频谱共享的挑战

2．5 小结

第3章 基于中继次用户由采集能量驱动的频谱共享

3．1 引言

3．2 系统模型

3．2．1 能量采集和数据传输

3．2．2 数据解码方法

3．3 能量采集下的系统吞吐量

3．3．1 能量采集过程

3．3．2 没有频谱共享下的主用户系统吞吐量

3．3．3 频谱共享下的主用户系统吞吐量

3．3．4 频谱共享下的次用户系统吞吐量

3．4 事件发生且数据成功概率

3．4．1 情况一发生且成功的概率

3．4．2 情况二发生且成功的概率

3．4．3 情况三发生且成功的概率

3．4．4 次用户解码成功的概率

3．5 数值解和仿真结果

3．5．1 在随机网络中的应用

3．5．2 功率分配因子的影响

3．5．3 主用户和次用户系统吞吐量

3．5．4 次用户系统的最大吞吐量

3．6 小结

第4章 在认知无线电网络中的带有无线能量采集的频谱共享

4．1 引言

4．2 系统模型

4．2．1 数据传输模型

4．2．2 能量采集模型

4．3 主用户的传输功率

4．3．1 传输功率水平

4．3．2 保持相同的功率水平

4．3．3 调到最大功率水平

4．3．4 改变到其他功率水平

4．4 次用户系统的优化问题和性能

4．4．1 优化问题公式化

4．4．2 次用户成功的概率

4．5 主用户系统的吞吐量

4．5．1 数据传输的成功概率

4．5．2 数据重新传输的成功概率

4．5．3 主用户系统吞吐量

4．6 优化问题的解决方案

4．7 数值和仿真结果

4．7．1 主用户系统的吞吐量

4．7．2 次级系统吞吐量

4．8 小结

结论

参考文献

致谢