認知與協(xié)作無線通信網(wǎng)絡中基于博弈論的跨層優(yōu)化理論研究.pdf

1、隨著當今社會信息化進程的迅速推進，各種信息技術(shù)正不斷趨向融合，這為大規(guī)模發(fā)展新一代低成本、低功耗、具有多元化服務、分布式且能夠?qū)崿F(xiàn)無縫覆蓋的寬帶無線移動通信網(wǎng)絡提供了前所未有的機遇.人們期待通過新一代的無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)全球范圍內(nèi)“任何人在任何時間、任何地點，通過任何設(shè)備進行任何內(nèi)容的通信與傳輸”，既個人通信中所說的5A愿景(Anyone，Anytime，Anywhere，Anydevice，Anything，5A).然而在實現(xiàn)這一“5A

2、”目標的過程中，無論是在整體網(wǎng)絡架構(gòu)還是在無線接入技術(shù)方面都還面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。
　　 網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通信協(xié)議主要基于分層的設(shè)計理念，這種分層的網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)具有其明顯的不足之處。比如，基于分層的設(shè)計理念每一層通信協(xié)議只考慮最差的網(wǎng)絡環(huán)境，無法做到對實時變化的無線網(wǎng)絡環(huán)境進行動態(tài)自適應；此外，每層協(xié)議的輸入網(wǎng)絡參數(shù)和輸出參數(shù)之間并不一定是嚴格的單調(diào)映射關(guān)系，因此對某一層協(xié)議棧的優(yōu)化對于整體通信協(xié)議棧來說有可能是次優(yōu)的。為

3、了克服分層設(shè)計的這些不足，基于跨層的網(wǎng)絡通信協(xié)議設(shè)計理念(簡稱跨層設(shè)計，Cross-Layer Design(CLD))應運而生，通過在不同協(xié)議層之間進行信息傳遞來實現(xiàn)協(xié)議層間的動態(tài)交互，進而實現(xiàn)多協(xié)議層的聯(lián)合優(yōu)化。
　　 無線頻譜資源：隨著無線通信網(wǎng)絡的發(fā)展，飛速增長的頻譜資源需求和相對匱乏的頻譜資源供給之間的矛盾日益加劇。一方面，在傳統(tǒng)的頻譜資源管理機制下，每一種無線系統(tǒng)或標準都獨占某一特定的頻段。這就導致寶貴的頻譜資源越分

4、越少，至今可用的頻譜資源基本已經(jīng)分配殆盡。另一方面，已經(jīng)分配的頻譜資源在空間和時間上利用效率都極不均勻，造成了無線頻譜資源的極大浪費。為了緩解上述矛盾，JosephMitola于1999年首次提出了“認知無線電”(Cognitive Radio，CR)的概念，旨在打破傳統(tǒng)僵化的頻譜資源管理和使用機制，通過允許每個無線電系統(tǒng)以認知的方式使用分配給其它系統(tǒng)的頻段，來減少頻譜資源的浪費進而提高其使用效率。
　　 無線鏈路連通性：4G無

5、線通信網(wǎng)絡對帶寬提出了更高的要求，以支撐各種非實時或?qū)崟r的多媒體業(yè)務和迅速增長的用戶數(shù)量.然而，就單一無線鏈路來說現(xiàn)有的信道編碼、調(diào)制、多址接入等通信技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了與香農(nóng)極限非常接近的傳輸速率.這就意味著若要進一步提高無線網(wǎng)絡的傳輸速率，就必須從其它方向著手進一步提高無線鏈路的信道干擾噪聲比進而提高無線鏈路的連通性。協(xié)作無線通信技術(shù)允許那些只裝備了單個收發(fā)天線的移動終端互相作為中繼節(jié)點，組成一個虛擬的多輸入單輸出(VirtualMult

6、iple-Input Single-Output，V-MISO)無線鏈路來實現(xiàn)空間分集增益，并可以有效地緩解傳統(tǒng)多天線傳輸技術(shù)對發(fā)射天線間距的限制。
　　 然而，到目前為止在上述每一方面的理論研究工作仍然都還處于起步階段。此外，任何單一的技術(shù)都不足以解決和應對在實現(xiàn)無線個人通信這-“5A”目標過程中可能出現(xiàn)的所有問題和挑戰(zhàn)。因此，我們必須對上述各項先進技術(shù)進行聯(lián)合運用，以實現(xiàn)對無線通信網(wǎng)絡進行整體設(shè)計和跨層優(yōu)化。基于這些考慮，本

7、論文主要針對認知與協(xié)作無線通信網(wǎng)絡中的跨層優(yōu)化理論展開研究，旨在為新一代無線移動通信網(wǎng)絡的整體網(wǎng)絡架構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)和指導，對網(wǎng)絡的性能進行理論分析和評估并給出可行的通信協(xié)議和算法設(shè)計。本論文重點研究以下幾方面的內(nèi)容：認知無線電網(wǎng)絡中多個無線子網(wǎng)絡的共存機制，協(xié)作無線通信網(wǎng)絡中的優(yōu)化設(shè)計，以及認知與協(xié)作無線通信系統(tǒng)中的分布式資源管理。在研究方法上，我們以無線多媒體傳輸為依托，并以效用函數(shù)作為跨層設(shè)計的橋梁將通信協(xié)議棧底層的物理參數(shù)(如

8、功率、頻譜等)和高層的效用(如用戶滿意度、圖像質(zhì)量等)聯(lián)系起來，進而實現(xiàn)多協(xié)議層的聯(lián)合優(yōu)化。同時，我們通過設(shè)計用戶的效用函數(shù)并運用優(yōu)化理論、博弈論以及Variational Inequality(Ⅵ)理論等對其數(shù)學性質(zhì)進行理論分析，進而導出可行的通信協(xié)議和算法設(shè)計準則。本論文的研究工作受到了國家自然科學基金重點項目“基于認知無線電的中繼與協(xié)同通信研究”(編號：60832008)和國家自然科學基金項目“寬帶無線通信網(wǎng)絡的跨層設(shè)計”(編號：

9、60672036)的支持.本論文主要有以下幾項貢獻和創(chuàng)新點：
　　 1.針對認知無線電網(wǎng)絡中不同子系統(tǒng)之間的共存機制，提出了一種新穎的基于混合競爭合作策略(簡稱競合策略)的頻譜分配策略。粗略的說，該競合策略的核心思想是讓所有的用戶根據(jù)特定的競爭準則進行頻譜分配，然后讓那些競爭力強的用戶在達到其滿意服務質(zhì)量后退出資源競爭，以使得那些非滿意的用戶可以獲得更多的資源。我們以無線視頻傳輸為依托，以合作博弈論中的“KSBS”競爭準則為基礎(chǔ)

10、，對每個用戶的效用函數(shù)、競爭力系數(shù)和競合策略分別進行了設(shè)計。進而，我們結(jié)合認知無線電網(wǎng)絡中主、次用戶系統(tǒng)間的頻譜分配問題對該競合策略的性能進行了評估。結(jié)果證明，同競爭策略相比在同一子系統(tǒng)內(nèi)部競合策略能夠使更多的用戶達到滿意的服務質(zhì)量，而在不同子系統(tǒng)之間運用競合策略則使得次要用戶系統(tǒng)有更多的機會接入主用戶系統(tǒng)的頻段，進而使得主、次用戶系統(tǒng)的共存變得更為可能。其次，競合策略還有效解決了傳統(tǒng)基于純競爭策略的無線資源管理中各個用戶權(quán)重系數(shù)難以設(shè)

11、定的困難。本創(chuàng)新點對應論文第二章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的1，2、3和4。
　　 2.研究了協(xié)作無線通信網(wǎng)絡中多用戶視頻傳輸?shù)目鐚觾?yōu)化問題，其主要目標是通過聯(lián)合優(yōu)化物理層和MAC層的功率分配策略、中繼選擇策略和應用層的視頻編碼碼率來最大化所有視頻用戶的效用函數(shù)之和。其中，我們用視頻用戶接收端的圖像質(zhì)量(峰值信噪比)來表示各個用戶的效用函數(shù)。首先，我們將這一跨層優(yōu)化問題建模成為一個有約束的整數(shù)非凸規(guī)劃問題?？紤]到求解該問題的難度和復

12、雜性，我們提出了一種基于分支定界原理和非凸問題凸化放松技術(shù)的全局最優(yōu)算法。然后，我們通過仿真結(jié)果對該算法的性能進行了分析和驗證，表明我們的算法在實際中可以通過有限的迭代次數(shù)以任意精度求得全局最優(yōu)解。此外，結(jié)果還表明，通過使用中繼節(jié)點可以有效降低用戶間的相互干擾，進而提高接收端的圖像質(zhì)量。該全局最優(yōu)算法具有重要的理論研究和應用價值，一方面主要可以用來對協(xié)作無線通信系統(tǒng)的性能進行分析，另一方面可以為同領(lǐng)域研究相同或相似問題的分布式算法提供性

13、能比較的依據(jù)。本創(chuàng)新點對應論文第三章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的5和7。
　　 3.研究了認知與協(xié)作無線通信網(wǎng)絡中的分布式無線資源管理。我們考慮一般性的認知無線電網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡包括若干個來自相同或不同無線子系統(tǒng)的用戶，他們共享一組無線頻譜且以認知的方式動態(tài)接入和使用這些頻譜。對于每個用戶來說，所有其他用戶來都可以被看作是次要用戶(又稱認知干擾用戶或者Cognitive Jammer)，反之亦然。我們的研究目標主要是根據(jù)每個用戶獲取的局