基于缓存与无人机的无线蜂窝网络收发设计

摘要

目前，无线小蜂窝通信网络技术由于具有传输速度快，覆盖面广等优点而得到广泛的应用，但是该技术也有一定的缺点。当接入蜂窝网络的用户数量增多的时候，基站与用户之间的通信会有干扰，从而影响传输性能。而且，无线小蜂窝网络中，基站的覆盖范围是有限的，因此，处于蜂窝边缘的用户的通信质量无法得到有效的保证。另外，在灾难地区，电力供应无法得到有效的保证，与此同时，无线蜂窝中的基站可能会受到灾难的影响而受到损毁，因而无法正常工作，从而影响蜂窝网络中的通信性能。针对上述问题，本论文通过使用缓存和无人机技术，对无线小蜂窝通信网络的收发设计进行研究，从而提升无线小蜂窝通信网络的传输性能。具体包括： (1)针对无线小蜂窝覆盖范围内的通信传输：首先，在非通信高峰期间，将受欢迎程度比较高的文件存储在基站中，从而降低回程传输所带来的损耗。然后，将贪心算法和干扰对齐算法相结合，共同用于文件的实时下载。与此同时，提出相应的干扰网络拓扑结构，并推导出干扰对齐算法在相应拓扑结构下的可行性条件。最后，通过仿真说明所提出方案的有效性。 (2)针对无线小蜂窝边缘用户的通信传输：首先，将受欢迎程度比较高的文件存储在蜂窝边缘用户中，通过端到端通信(Device to Device,D2D)进行文件传输。在此基础上，本文提出一种最优的缓存布局方案，从而使得边缘用户通过D2D传输的下载概率最大化。然后，在高中低信噪比条件下，通过使用图论中的Kuhn-Munkres算法以及分布式算法来建立D2D链接，从而提升边缘用户的传输速率。最后，通过仿真说明所提出方案的有效性。 (3)灾难地区的多天线无人机通信传输：首先，将多天线无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术和D2D技术相结合，共同用于灾难地区的信息传输。然后，通过使用最短路径算法建立D2D链接，并在此基础上推导出上行链路以及下行链路的D2D跳数和中断概率。接着给出UAV的最优收发设计方案来提升UAV与用户之间的通信速率。最后，通过仿真说明所提出方案的有效性。 (4)灾难地区的单天线无人机通信传输：首先，为单天线UAV选择一个合适的位置为所有用户进行通信。然后使用非正交频分多址技术对UAV进行功率分配，从而最大化UAV的通信总速率。最后，通过仿真说明所提出方案的有效性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 小蜂窝通信网络以及缓存技术研究现状

1.2.2 干扰对齐研究现状

1.2.3 D2D技术的研究现状

1.2.4 无人机通信技术的研究现状

1.2.5 非正交多址接入技术的研究现状

1.3 主要研究工作及结构安排

2 无线小蜂窝覆盖范围内通信收发设计

2.1 小蜂窝基站缓存架构

2.2 无线蜂窝通信系统模型

2.3 蜂窝通信网络视频文件存储策略

2.4 单个用户视频传输策略

2.5 多用户视频文件传输

2.6 网络拓扑结构分析

2.7 多用户视频文件传输策略

2.8 仿真结果以及结论

2.8.1 单用户视频传输效果

2.8.2 多用户视频传输效果

2.9 本章小结

3 无线小蜂窝网络边缘视频文件的最佳缓存布局及D2D传输

3.1 系统模型

3.2 D2D通信网络最佳文件缓存布局

3.2.1 视频文件的下载概率

3.2.2 最佳缓存布局问题

3.3 D2D总速率分析

3.3.1 低信噪比情况

3.3.2 高信噪比情况

3.3.3 中等信噪比情况

3.3.4 只有一个D2D链路存在的情况

3.4 D2D链接建立

3.4.1 低信噪比情况下的D2D链接建立

3.4.2 高信噪比情况下的D2D链接建立

3.4.3 中等信噪比情况下的D2D链接建立

3.3.4 只有一个用户请求文件时的链路调度算法

3.4 仿真结果与分析

3.4.1 最佳缓存布局

3.4.2 D2D链接建立

3.5 本章小结

4 灾难地区小蜂窝通信网络收发设计

4.1 系统模型

4.2 多跳D2D链接建立

4.2.1 单跳D2D链路中断概率

4.2.2 多跳D2D链路中断概率

4.3 UAV上行链路最优收发设计

4.3.1 优化问题建立

4.3.2优化算法

4.4 UAV下行链路最优收发设计

4.4.1 优化问题建立

4.4.2优化算法

4.5 仿真结果与分析

4.5.1 多跳D2D链路的跳数

4.5.2 D2D链接的中断概率

4.5.3 UAV最佳收发设计

4.5.4 通信网络总中断概率

4.6 本章小结

5 无人机通信网络位置以及功率分配设计

5.1 系统模型以及优化问题建立

5.1.1 系统模型

5.1.2 优化问题建立

5.2优化问题低复杂度解决方案

5.2.1 UAV的最佳放置位置

5.2.2 功率分配

5.3 仿真结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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