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无线区域网中资源分配策略研究

作　者: 刘英挺
导　师: 张海林
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 认知无线电无线区域网资源分配拍卖理论图论博弈论中继选择
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，随着各种无线应用的迅速增加，对频谱的需求量越来越大。频谱属于不可再生资源，现有频谱早已经划分完毕，分配给具有授权的用户使用。研究表明，现有频谱的利用率很低。为了提高现有频谱的利用率，认知无线电技术应运而生。通过实时监测周围电磁环境，当授权用户不使用频谱时，认知用户可以与授权用户共享频谱。无线区域网是世界上第一个利用认知无线电技术的通信网络，旨在为农村地区提供通信服务。IEEE于2004年11月成立了802.22工作组，为无线区域网研发相应的标准。无线区域网采用正交频分复用接入，可以机会利用处于甚高频和特高频的电视频段。这一频段的授权用户主要是数字电视广播台、模拟电视广播台和以无线麦克风为代表的低功率辅助设备，无线区域网在不影响授权用户的前提下使用电视频段。典型的无线区域网由基站和若干个用户驻地设备组成。与现有的IEEE802标准的显著区别是无线区域网的基站覆盖范围很大，有效全向辐射功率为4瓦特时，典型覆盖为33千米，如果对发射功率放宽限制，其最大可覆盖100千米的范围。这篇论文主要研究无线区域网中的资源分配策略，所取得的主要研究成果为：1.研究了无线区域网单小区中的资源分配问题。无线区域网物理层采用正交频分复用接入技术，无线资源可从时域和频域划分，时域可分为若干个时隙，频域上可分为由采用正交频分复用技术的子载波组成的若干个子信道。文中用BIN来表示可租借给认知用户的最小时频单元。将一个基站、多个用户之间的时频资源分配建模为拍卖市场，运用改进的第二价格拍卖机制解决这种“一对多”环境下的资源分配问题。基站通过设置合适的保留价格来降低用户之间的串谋行为给自身收益带来的损失。仿真结果表明了该方法的可行性。2.研究了无线区域网多小区中的频谱分配问题。无线区域网多小区中，多个基站和多个认知用户共存，基站可以将空闲频段出租给认知用户以获得额外收益；同时，认知用户希望获得空闲频谱的授权以完成自己的通信目标，这同样可以为认知用户带来一定收益。为了解决这种“多对多”环境下的频谱分配，文中将基站与认知用户之间的频谱共享建模为连续双向拍卖市场，买卖双方均采用基于模糊逻辑的报价策略以最大化频谱利用率。3.在考虑无线区域网与无线麦克风之间的共存问题前提下，研究了无线区域网单小区中下行链路的子信道分配。在保护低功率辅助设备的前提下，文中给出了一种更为准确和实际的无线区域网与无线麦克风共存模型，这个模型可以增加电视频段的空间利用率。在共存模型的基础上，将无线区域网单小区中下行链路的子信道分配建模为一个非线性的混合整数规划问题，这个问题是NP难的。为了实时求解，采用了图论中的匈牙利算法。Matlab仿真表明，所述方法在求得问题的最优解的同时，大大降低了计算开销。4.考虑认知用户与无线麦克风共存的前提下，研究了无线区域网多小区上行链路功率与信道的联合分配问题。在文中第四章基础之上，给出了一个更准确也更为实际的认知用户与无线麦克风共存模型。在共存模型基础上，将功率与信道的联合分配建模为势博弈。给出了干扰最小化的用户效用函数和博弈的势函数，并证明了所给博弈是精确势博弈。5.研究了双向协作网络的中继选择问题。在有两个源节点多个中继、基于物理层网络编码的双向协作网络中，文中给出了一种中继选择方案。所给的中继选择方案可以选出能够最大化容量区域瓶颈的中继节点。证明了所给出的中继选择方案能够最小化中断概率，因此所给方案可以作为衡量其他基于物理层网络编码的中继选择方案性能的基准。推导了所给中继选择方案中断概率的闭式解并证明了所给方案可以达到满分集阶数。仿真结果验证了所给方法的正确性。

全文目录

作者简介  3-4
摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-33
  1.1 认知无线电技术简介  11-20
    1.1.1 认知无线电技术的产生背景  11-15
    1.1.2 认知无线电所需的关键技术  15-17
    1.1.3 认知无线电技术的研究现状及应用  17-20
  1.2 无线区域网(WRAN)简介  20-26
    1.2.1 WRAN的提出  20-21
    1.2.2 WRAN的组成和主要技术指标  21-22
    1.2.3 WRAN的MAC层  22-23
    1.2.4 WRAN中的共存问题  23-26
  1.3 博弈论和拍卖理论  26-31
    1.3.1 博弈论  26-28
    1.3.2 拍卖理论  28-31
  1.4 本文主要工作和结构安排  31-33
第二章 WRAN单小区中基于拍卖理论的时频资源分配  33-43
  2.1 频谱资源的租赁模型  33-36
    2.1.1 频谱资源租赁场景  33-34
    2.1.2 频谱资源分配过程  34-36
  2.2 设置保留价格的密封第二价格拍卖机制  36-39
    2.2.1 改进的第二价格(PSP)拍卖机制  36-37
    2.2.2 用户之间的串谋  37-38
    2.2.3 保留价格的设置  38-39
  2.3 系统仿真  39-42
  2.4 小结  42-43
第三章 WRAN多小区中基于连续双向拍卖的动态频谱分配  43-55
  3.1 动态频谱分配模型  43-45
  3.2 基于模糊逻辑的连续双向拍卖竞价策略  45-52
    3.2.1 连续双向拍卖的基本概念  45-46
    3.2.2 模糊逻辑简介  46-50
    3.2.3 基于模糊逻辑的买卖双方竞价策略  50-52
  3.3 仿真分析  52-53
  3.4 小结  53-55
第四章 WRAN单小区中下行链路的子信道分配  55-65
  4.1 WRAN中的共存问题  55-57
  4.2 最大化系统下行速率的子信道分配  57-62
    4.2.1 问题描述  57-58
    4.2.2 图论基础知识和匈牙利算法  58-61
    4.2.3 问题求解  61-62
  4.3 仿真分析  62-64
  4.4 小结  64-65
第五章 WRAN多小区上行链路信道与功率的联合分配  65-77
  5.1 WM-CPE的共存模型  65-67
  5.2 WRAN多小区上行链路的资源分配  67-71
    5.2.1 WRAN多小区上行链路资源分配模型  67-68
    5.2.2 博弈建模  68-71
    5.2.3 算法实施和复杂度分析  71
  5.3 仿真分析  71-75
    5.3.1 算法收敛性验证  72
    5.3.2 算法正确性验证  72-73
    5.3.3 K，lz，nz对系统效用的影响  73-75
  5.4 小结  75-77
第六章双向协作网络中基于物理层网络编码的中继选择  77-89
  6.1 引言  77-81
    6.1.1 网络编码简介  77-80
    6.1.2 物理层网络编码  80-81
  6.2 中继系统模型  81-82
  6.3 中继选择和中断概率分析  82-86
    6.3.1 中继选择  82-83
    6.3.2 中断概率和分集性能分析  83-86
  6.4 仿真分析  86-87
  6.5 小结  87-89
第七章结论  89-91
致谢  91-93
参考文献  93-101
攻读博士学位期间的研究成果  101-102
  学术论文  101
  参加研究的科研项目  101-102

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