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無線網絡信道機會接入方法 版權信息
- ISBN：9787030682888
- 條形碼：9787030682888 ; 978-7-03-068288-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
無線網絡信道機會接入方法 內容簡介
本書針對無線網絡信道接入方法開展系統研究，主要包括兩部分內容。部分闡述了認知網絡的信道機會接入理論及方法，實現次要用戶信道機會接入效率的統計很優性。具體地，針對次要用戶已知主要用戶信道統計信息情況，提出很優信道感知集合和接入方法；接著提出主要用戶信道i.i.d.模型和Markov模型下的次要用戶接入方法，滿足統計很優性能；還針對多用戶，設計兩種信道模型下接入方法。第二部分闡述了分布式協同網絡的信道機會接入理論及方法，實現分布式信道接入效率的統計很優性。具體地，針對直連網絡以及協同網絡中繼集中控制與分布運行兩種協作模式，分別提出很優信道接入方法；接著分析兩跳通信的時間多樣性，提出不同中繼傳輸方式下很優接入方法；還針對中繼選擇感知與協同接入的平衡問題，提出很優中繼感知接入方法，提升組網性能。本書適合無線通信組網領域科研人員和研究生閱讀和參考，可供從事優選無線組網技術研究和工程研制的科技人員使用。
無線網絡信道機會接入方法 目錄
目錄
序
前言
第1章 引言 1
1.1 概述 2
1.2 認知通信 3
1.3 協作分集與時間分集 4
1.4 網絡信道機會接入 6
1.4.1 認知網絡信道機會接入 6
1.4.2 分布協作網絡信道機會接入 8
第2章 協議與理論基礎 10
2.1 概念與內涵 10
2.2 研究基礎 14
2.2.1 認知網絡信道接入 14
2.2.2 協同網絡信道機會接入 22
2.3 網絡協議 26
2.3.1 認知網絡接入協議 26
2.3.2 分布式網絡接入協議 31
2.4 理論基礎 39
2.4.1 MABP理論與方法 39
2.4.2 停止優化理論與方法 46
第3章 統計信息已知下認知信道機會接入 52
3.1 系統模型 52
3.2 感知信道*優集合 55
3.2.1 全信道接入(K=M) 55
3.2.2 部分信道接入(K
3.3 性能評估 61
3.4 小結 62
第4章 認知網絡i.i.d.信道接入方法 63
4.1 場景一：全信道感知 64
4.1.1 單信道機會接入(K=1) 65
4.1.2 多信道機會接入(K>1) 71
4.2 場景二：部分信道感知 72
4.2.1 同構信道感知 72
4.2.2 異構信道感知 78
4.3 性能評估 82
4.3.1 全信道感知 82
4.3.2 部分信道感知 85
4.3.3 θi估計值 87
4.3.4 與其他方法比較 88
4.4 小結 89
第5章 認知網絡Markov信道接入方法 90
5.1 系統模型 90
5.2 信道機會接入 92
5.3 性能分析 99
5.4 小結 102
第6章 認知網絡多用戶信道接入方法 103
6.1 i.i.d.信道模型 103
6.1.1 系統模型 103
6.1.2 集中式接入 104
6.1.3 分布式接入 106
6.2 Markov信道模型 116
6.3 性能評估 123
6.4 小結 126
第7章 分布式信道機會接入方法 127
7.1 系統模型 127
7.2 分布式信道機會接入方法 130
7.2.1 同構信道接入 130
7.2.2 異構信道接入 133
7.3 時敏信道接入方法 134
7.4 多用戶影響分析 138
7.4.1 無時延約束的信道接入 138
7.4.2 時延約束下的信道接入 142
7.5 性能評估 145
7.6 小結 156
第8章 分布協同信道接入方法 157
8.1 信源得到完整中繼信道狀態(場景一) 158
8.1.1 系統模型 158
8.1.2 *優信道接入方法 160
8.2 信源得到部分中繼信道信息(場景二) 166
8.2.1 系統模型 166
8.2.2 直觀*優接入方法 167
8.2.3 直觀*優接入方法的次*優性 173
8.2.4 *優信道接入方法 173
8.3 性能評估 178
8.4 小結 181
第9章 協同網絡分級信道接入方法 182
9.1 基于可間斷兩跳傳輸的*優信道接入方法 183
9.1.1 系統模型 183
9.1.2 第二跳信道接入方法 185
9.1.3 **跳信道接入方法 187
9.2 基于自適應兩級傳輸的*優信道接入方法 189
9.2.1 系統模型 190
9.2.2 第二跳信道接入方法 192
9.2.3 **跳信道接入方法 194
9.3 性能評估 196
9.4 小結 201
第10章 同構網絡選擇感知接入方法 202
10.1 系統模型與接入協議 202
10.2 問題建模 205
10.2.1 **級決策等價結構 205
10.2.2 感知過程 205
10.3 *優信道接入方法及實現 207
10.3.1 等價變換 207
10.3.2 *優序貫規劃決策方法 207
10.3.3 定理10.1 *優方法優化 209
10.3.4 定理10.2 *優方法結構優化 211
10.3.5 接入方法實現 214
10.4 性能評估 216
10.5 小結 221
第11章 信道感知接入方法的異構性分析 222
11.1 系統模型 222
11.2 *優信道接入方法 225
11.2.1 等價變換 225
11.2.2 閾值分析 227
11.2.3 基于多階信道SNR閾值的*優接入方法 229
11.3 方法實現 233
11.4 性能評估 236
11.5 小結 245
附錄A 246
A.1 不等式ε>0證明 246
A.2 Drift條件證明 246
A.3 *優停止方法的存在性證明 248
附錄B 251
B.1 *優多中繼傳輸方法 251
B.2 引理10.1證明 252
B.3 引理10.2證明 253
B.4 定理10.1證明 254
B.5 定理10.2證明 255
B.6 定理10.3證明 256
B.7 定理10.4證明 257
附錄C 258
C.1 引理11.1證明 258
C.2 引理11.4證明 258
C.3 定理11.2證明 259
C.4 定理11.4證明 261
C.5 定理11.6證明 262
參考文獻 263
序
前言
第1章 引言 1
1.1 概述 2
1.2 認知通信 3
1.3 協作分集與時間分集 4
1.4 網絡信道機會接入 6
1.4.1 認知網絡信道機會接入 6
1.4.2 分布協作網絡信道機會接入 8
第2章 協議與理論基礎 10
2.1 概念與內涵 10
2.2 研究基礎 14
2.2.1 認知網絡信道接入 14
2.2.2 協同網絡信道機會接入 22
2.3 網絡協議 26
2.3.1 認知網絡接入協議 26
2.3.2 分布式網絡接入協議 31
2.4 理論基礎 39
2.4.1 MABP理論與方法 39
2.4.2 停止優化理論與方法 46
第3章 統計信息已知下認知信道機會接入 52
3.1 系統模型 52
3.2 感知信道*優集合 55
3.2.1 全信道接入(K=M) 55
3.2.2 部分信道接入(K
3.3 性能評估 61
3.4 小結 62
第4章 認知網絡i.i.d.信道接入方法 63
4.1 場景一：全信道感知 64
4.1.1 單信道機會接入(K=1) 65
4.1.2 多信道機會接入(K>1) 71
4.2 場景二：部分信道感知 72
4.2.1 同構信道感知 72
4.2.2 異構信道感知 78
4.3 性能評估 82
4.3.1 全信道感知 82
4.3.2 部分信道感知 85
4.3.3 θi估計值 87
4.3.4 與其他方法比較 88
4.4 小結 89
第5章 認知網絡Markov信道接入方法 90
5.1 系統模型 90
5.2 信道機會接入 92
5.3 性能分析 99
5.4 小結 102
第6章 認知網絡多用戶信道接入方法 103
6.1 i.i.d.信道模型 103
6.1.1 系統模型 103
6.1.2 集中式接入 104
6.1.3 分布式接入 106
6.2 Markov信道模型 116
6.3 性能評估 123
6.4 小結 126
第7章 分布式信道機會接入方法 127
7.1 系統模型 127
7.2 分布式信道機會接入方法 130
7.2.1 同構信道接入 130
7.2.2 異構信道接入 133
7.3 時敏信道接入方法 134
7.4 多用戶影響分析 138
7.4.1 無時延約束的信道接入 138
7.4.2 時延約束下的信道接入 142
7.5 性能評估 145
7.6 小結 156
第8章 分布協同信道接入方法 157
8.1 信源得到完整中繼信道狀態(場景一) 158
8.1.1 系統模型 158
8.1.2 *優信道接入方法 160
8.2 信源得到部分中繼信道信息(場景二) 166
8.2.1 系統模型 166
8.2.2 直觀*優接入方法 167
8.2.3 直觀*優接入方法的次*優性 173
8.2.4 *優信道接入方法 173
8.3 性能評估 178
8.4 小結 181
第9章 協同網絡分級信道接入方法 182
9.1 基于可間斷兩跳傳輸的*優信道接入方法 183
9.1.1 系統模型 183
9.1.2 第二跳信道接入方法 185
9.1.3 **跳信道接入方法 187
9.2 基于自適應兩級傳輸的*優信道接入方法 189
9.2.1 系統模型 190
9.2.2 第二跳信道接入方法 192
9.2.3 **跳信道接入方法 194
9.3 性能評估 196
9.4 小結 201
第10章 同構網絡選擇感知接入方法 202
10.1 系統模型與接入協議 202
10.2 問題建模 205
10.2.1 **級決策等價結構 205
10.2.2 感知過程 205
10.3 *優信道接入方法及實現 207
10.3.1 等價變換 207
10.3.2 *優序貫規劃決策方法 207
10.3.3 定理10.1 *優方法優化 209
10.3.4 定理10.2 *優方法結構優化 211
10.3.5 接入方法實現 214
10.4 性能評估 216
10.5 小結 221
第11章 信道感知接入方法的異構性分析 222
11.1 系統模型 222
11.2 *優信道接入方法 225
11.2.1 等價變換 225
11.2.2 閾值分析 227
11.2.3 基于多階信道SNR閾值的*優接入方法 229
11.3 方法實現 233
11.4 性能評估 236
11.5 小結 245
附錄A 246
A.1 不等式ε>0證明 246
A.2 Drift條件證明 246
A.3 *優停止方法的存在性證明 248
附錄B 251
B.1 *優多中繼傳輸方法 251
B.2 引理10.1證明 252
B.3 引理10.2證明 253
B.4 定理10.1證明 254
B.5 定理10.2證明 255
B.6 定理10.3證明 256
B.7 定理10.4證明 257
附錄C 258
C.1 引理11.1證明 258
C.2 引理11.4證明 258
C.3 定理11.2證明 259
C.4 定理11.4證明 261
C.5 定理11.6證明 262
參考文獻 263
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無線網絡信道機會接入方法 節選
第1章 引言 隨著移動通信、物聯網以及人工智能技術的發展，未來的無線通信網絡對通信質量的要求將持續攀升，信息傳輸的實時性、高效性、可靠性等方面要求不斷提高。一方面，隨著通信用戶數的激增，信息通信系統對無線頻譜資源的需求相應增長，頻譜資源緊張日益凸顯，成為制約無線通信技術發展的瓶頸問題之一。另一方面，調查研究發現，正在使用的無線通信系統存在不同程度頻譜資源的閑置現象，部分授權頻譜的有效利用率嚴重不足。根據美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)頻譜政策工作組授權的下屬機構對紐約市等人口高密集區域無線頻譜利用率展開的調查發現[1-3]，僅15%～85%的無線頻譜被授權用戶使用，部分頻譜被閑置。到目前為止，無線頻譜資源頻率在2GHz以下的幾乎已經被授權系統占用殆盡，導致新增的無線通信用戶陷入無頻譜資源可用的窘境，與當前無線用戶數激增的需求形成強烈反差。 如何緩解頻譜資源短缺問題，解決思路大體分為兩種，即啟用新頻譜和用好已有頻譜。目前，新頻譜資源的挖掘工作已取得顯著進展，典型的包括C頻段的4G移動通信系統和Ka頻段的5G移動通信系統。但是，由于通信傳播距離、器件成熟度和成本等因素的制約，這些工作只能緩解在特定場景下部分資源的短缺問題，與現有系統的集成存在短板。因此，用好已有頻譜，提升現有頻譜資源的利用率，仍將是未來一個時期無線通信技術發展必須解決的關鍵問題。 為提高頻譜資源的利用率，學術界近年來開展了大量研究，主要集中在認知無線網絡和無線協同網絡兩個研究方向。重點圍繞信道機會的動態接入，實現頻譜資源的高效利用。其中，認知網絡信道接入時，沒有頻譜使用授權的次要用戶通過在線感知擁有頻譜授權的主要用戶對信道的占用情況，識別和利用授權頻譜的信道機會，完成信息的認知傳輸。無線協同網絡信道接入時，多用戶通過感知直連和協同信道的鏈路質量，調度*優用戶利用信道機會，完成信息的協同傳輸。當前，無線網絡的信道機會接入研究主要集中于信道參數已知條件下和集中頻譜資源管理下的接入問題。信道特性未知條件下無線認知網絡的信道接入和分布式協同網絡的信道接入相關研究較少，缺乏系統性的分析。這些問題中，如何利用認知無線電、協作通信、時間多樣度等技術，利用有限的信道機會實現更加高效地接入，是通信領域面臨的難題。因此，本書針對上述兩種無線網絡的*優信道機會接入問題開展研究。 1.1 概述 過去十年間，無線通信技術飛速發展，無線多媒體應用層出不窮，隨時隨地接入無線因特網服務的需求隨即產生。多樣性需求的出現對未來數據傳輸速度提出了極高要求，并向服務質量的多樣性延伸。同時，通信網絡的能力演進與業務服務交織發展，數據流量需求不斷增長，無線網絡因此持續擴展，導致帶寬資源、計算資源、存儲資源等無線網絡資源的嚴重短缺。 作為破解通信頻譜資源供需矛盾的重點方向，無線網絡信道機會接入技術面臨重大機遇與挑戰，接入方法的性能直接影響通信網絡的資源利用效率。分析當前限制頻譜效率的主要因素，包括以下三個方面。 (1)授權頻譜的利用率偏低。為實現頻譜資源的有序管理，世界上主要國家都建立了專門的無線頻譜管理機構，按照頻譜規劃對信息系統資源進行宏觀調控。該方式一方面有效控制了系統之間無序競爭造成的頻譜干擾亂象，另一方面也在一定程度上造成了頻譜資源的浪費。由于部分頻段僅允許通過授權頻譜的用戶接入，授權頻譜業務需求較低情況下將存在授權頻譜的利用率低下問題。公開的用頻監測報告可以看到類似問題。相反地，工業科學醫學(Industrial，Scientific and Medical，ISM)非授權頻段上WiFi、藍牙和無線電話等不同系統的頻譜共存實踐取得了成功。隨著各類授權業務的頻譜需求增加，需求的多樣性和非均衡性特征不斷顯現，授權頻譜的利用率提升已成為研究熱點。 (2)無線信道時變性影響物理層頻譜效率。無線通信過程中，傳輸信號通常經歷了路徑損耗、大尺度衰落和小尺度衰落。具體地，路徑損耗是由無線信號向空間輻射的過程中產生的能量消耗引起的，與通信距離d呈指數階O(d.v)衰減關系，v為路徑損耗因子，根據不同傳輸環境取值。典型地，城市環境下v為4～6。大尺度衰落，也稱為陰影衰落，是由傳播路徑上山脈、樹林、建筑物等所產生的遮擋效應引起的。小尺度衰落，是由通信鏈路上的物體反射、散射或衍射產生的多個路徑信號在接收端疊加形成的，產生多徑效應，使得信道衰落存在頻率選擇性。此外，用戶移動性引起多普勒效應，導致信道衰落具有時間相關性。典型地，頻率選擇性導致不同頻率的多個信道之間信道衰落不同，時間相關性導致同一信道在不同時間的衰落不同。 (3)多用戶機會調度策略影響接入層頻譜效率。通常無線網絡內多用戶共享頻譜，相同或相鄰區域內多個用戶同時接入相同頻譜存在較大干擾，影響各用戶通信質量。嚴重情況下，信號沖突導致數據包丟失情況出現。集中式網絡架構下，比如移動蜂窩接入網，可通過中央控制節點如通信基站，管理調度多個用戶的信道接入，實現頻譜資源有效利用。盡管如此，集中式方法存在用戶容量的限制，用戶數量增加將導致信令開銷的增加，影響通信效率。此外，在集中方式難以部署或存在限制的場景下，分布式組網的多用戶接入面臨更加嚴峻的挑戰。如何以分布的方式，通過用戶局部信息自主地開展信道接入，確保頻譜利用率，面臨較大現實困難。 針對上述制約因素，需要充分認識和利用認知無線電、協作通信和時間多樣度等技術，理解相互之間的聯系與作用，研究信道機會接入方法。結合當前網絡發展趨勢，本書主要從認知無線網絡和分布式網絡的信道接入問題著手，研究建立信道機會接入模型和方法。 1.2 認知通信 認知通信*早由學者Mitola[4]提出，被視為有效緩解頻譜稀缺性并提升授權頻譜利用率的潛能技術，其主要概念是以擇機方式利用頻譜。認知無線網絡(Cognitive Radio Network，CRN)里包括兩類用戶，如圖1.1所示。針對特定的頻段，擁有部分頻譜接入權限的用戶稱為主要用戶，具有頻譜接入的優先權。未被授權的其他用戶稱為次要用戶，可通過認知通信的方式接入授權頻譜。經過十幾年發展，工業界基于認知無線電技術已制定一系列協議和標準[5，6]。典型的有IEEE 802.22無線區域網(Wireless Regional Area Networks，WRAN)、IEEE802.11k/af無線局域網(Wireless Local Area Network，WLAN)以及藍牙等協議和標準。 圖1.1 認知無線網絡 認知通信網絡中次要用戶主要以頻譜覆蓋式(Overlay)和頻譜機會式(Underlay)兩種模式接入授權信道。其中，頻譜覆蓋式接入模式下，次要用戶可隨時使用授權頻譜。為確保授權用戶的通信質量，次要用戶需保證其通信產生的干擾程度低于許可的閾值。授權頻譜保護要求較高，主要用戶接收端要求的可接收輻射閾值通常很低[7]，導致次要用戶必須大幅降低發射信號的功率譜密度。次要用戶的通信鏈路也因此效率低下。通常情況下，次要用戶需要采用大帶寬通信，比如使用碼分多址訪問(Code Division Multiple Access，CDMA)等，降低信道輻射的功率譜密度。此外，由于苛刻的保護要求，次要用戶的數量也受到很大制約，僅適用于近距通信。 頻譜機會式接入模式下，次要用戶可以通過頻譜感知，識別頻譜空穴，即一段時間內主要用戶未使用的頻帶，接入該空穴傳輸數據。具體地，由于主要用戶擁有授權頻譜的優先接入權限，次要用戶需采用能量檢測[8]、匹配濾波器檢測[9]和循環平穩特征檢測[10]等頻譜感知方法，定期監測授權信道的忙碌–空閑狀態，即信道是否被主要用戶占用。如果監測信道為空閑，次要用戶利用頻譜空穴接入信道；如果監測信道為忙碌狀態，次要用戶不得接入該信道。信道感知周期結束后，次要用戶重新進行感知接入。次要用戶與主要用戶接入行為異步的情況下，數據傳輸期間，次要用戶需保持對已接入的授權信道進行持續監視。當監測到主要用戶占用信道后，次要用戶將立即停止接入該信道，或接入其他空閑信道。機會式接入模式下，為保護主要用戶通信質量，次要用戶的頻譜感知和接入過程需要滿足信道監測準確率和對應功率門限。大量研究表明[11-23]，相比頻譜覆蓋模式，頻譜機會模式可更加有效地提高頻譜利用效率。 頻譜機會接入模式下產生了信道機會的概念，其定義是在特定時間和特定地點主要用戶可以使用的頻譜資源。信道機會的維度包括頻率、時間和空間等。需要指出，認知通信網絡信道接入本質上是一種被動方式的信道機會接入，次要用戶需要動態決策感知頻譜，尋找信道機會，優化接入策略。因此，本書將認知無線網絡作為無線網絡信道機會接入的兩個主要方向之一。 1.3 協作分集與時間分集 傳統通信系統利用空間分集[24]可以有效避免無線信道衰落對通信鏈路的負面影響。通信端通過配備多個距離足夠間隔的天線，使用多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術等來收發相同信息，提高傳輸的可靠性。也可通過多路傳輸，提高信道的傳輸容量。但是在實際部署的無線網絡中，移動用戶終端通常尺寸較小，體積重量要求較苛刻，很難在移動設備上部署多個天線，實現空間分集。針對這一問題，研究提出通過多用戶的合作傳輸，構建一種新的空間分集形式，實現協作分集[25，26]。 合作傳輸中，信源發出的信號經一個或多個中繼節點發送到信宿，通過接收多路信號實現空間分集。換句話說，通過在信源–信宿直連鏈路中引入中繼節點，建立一個虛擬的多天線系統。由于信源發射的信號有多條傳播路徑到達信宿，包括直接路徑和中繼路徑，通過信宿對接收信號的集總處理，大幅降低集總信號經歷嚴重衰落的概率，實現高可靠的合作傳輸。研究證明，隨著合作傳輸的協作分集階數增加，通信系統的傳輸容量和頻譜效率可進一步提升[27-29]。 通信系統里，通常有兩種常見方式實現協作通信，即放大–轉發和解碼–轉發方式[30，31]。其中，放大–轉發方式實現較為簡單，中繼節點收到信源發出的信號后，無須解調信息，直接將信號放大后發送至信宿。該方式的缺點是中繼節點接收信號里的噪聲同時被放大，產生噪聲傳遞效應，影響傳輸性能。解碼–轉發方式下，中繼節點收到信源發送的信號后會進行解碼，經重新編碼和調制后將再生信號轉發至信宿。其中，中繼使用與信源相同的碼表編碼的模式稱為再生解碼轉發，采用獨立碼表編碼的模式稱為非再生解碼轉發。 除協作分集，時間分集也是一種可以顯著提高頻譜效率的信道接入技術。其核心概念是，信源信宿之間通信時，由于信道時變性影響，信道容量隨時間動態變化。信道質量好的情況下，可實現高速通信；信道質量不好的情況下，可傳輸的信息量可能大幅下降。同時，多用戶信道接入時共享信道，且同一時間內不同用戶的信道質量不同。因此，可通過多用戶信道質量的不同，調度較好的用戶接入信道。通過對信道動態變化的實時感知和*優信道機會接入，無線網絡里蘊含的用戶多樣性與信道動態性被充分挖掘，使信道利用效率得到顯著提升。換句話說，時間分集的概念是通過對多用戶信道接入控制與物理層傳輸進行聯合設計，實現更好的網絡性能。 目前，時間分集技術在集中式網絡得到廣泛應用。典型系統包括移動蜂窩網絡，由基站作為中心控制單元對多用戶的信道接入進行統一協調[32，33]。具體來說，基站通過上行鏈路測量和信令交互獲得網絡內多用戶的信道質量，將信道接入的機會調度給信道質量*好的用戶接入。盡管對于某些信道質量較差的用戶損失了接入機會，但是考慮信道的時變性，在其他時刻這些用戶可獲得信道接入，完成業務傳輸。從系統平均性能看，網絡整體性能得到提升。 相比之下，分布式網絡的時間分集技術還處于起步階段[34-37]。網絡的分布工作、自治管理、協同傳輸等特點，使高效的信道感知和機會接入面臨嚴峻技術挑戰。在缺少
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