（电路与系统专业论文）异构无线网络中的若干关键技术研究.pdf

1鼍喇 。 ，熬。红，钆博、惶0圹 o ： r e s e a r c ho ns e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e si nh e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k ad i s s e r t a t i o n p r e s e n t e dt ob e i j i n gu n i v e r s i t yo f p o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s i nc a n d i d a c yf o rd e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y c i r c u i t r ya n ds y s t e m h uh a o b e i j i n gu n i v e r s i t yo f p o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s b e i j i n g ，p rc h i n a m a y 2 0 0 9 i w|(， 己小 毒协套一 t 毋i峨1 j 7 甜 j 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：2 翌旦：垄：兰蒸 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，i l p 研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学 本人签名 导师签名： 适用本授权书。 日期：2 兰 q ：互：础 日期：2 垒血墨j j 啊( - ，鼻 ； 喵n 0 异构无线网络中的若干关键技术研究 摘要 随着无线通信网络的发展，从以前简单的实现某一通信目的网络 逐渐丰富化，演变为多个独立的可支持多种业务的网络，随着应用和 用户需求的提升，下一代异构无线网络( n e x tg e n e r a t i o n h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k ，n g h c n ) 对融合的需求日趋提高。在 异构网络中尚存在若干关键问题亟待研究，如参考模型或体系结构、 泛在移动性管理、空中接口互连、联合无线资源管理和服务质量管理 等。随着网络环境的变化、业务类型的丰富、用户需求的提高以及无 线频谱资源的稀缺，这些问题都变得更加复杂而难以解决，需要全新 的理论和相关技术进行支持，因此，研究异构通信网络中的关键理论 和技术对于未来通信系统的发展和应用具有重要意义。由于异构融合 通信网络体系庞大，所包含的内容比较多，本文重点研究了其中基于 n g h c n 异构网络架构的增强移动性管理( 网络选择和智能切换) 以 及支持异构网络空中接口融合并从根本解决频谱匮乏问题的认知无 线电技术以及异构网络中基于认知无线电技术的联合无线资源管理 和服务质量管理，并针对其中存在的一些关键问题提出了解决方案。 本论文的主要工作和创新之处在于： 首先，用户移动性是移动通信网络中的一个典型行为，已有的网 络中的移动性管理技术已经得到充分探讨，但在异构网络环境中，如 t 坩、ii-f 何保障用户跨越基于不同结构和协议的网络时的业务性能是一个亟 待研究的问题。本文基于下一代异构通信网络架构并参考国际规范和 协议提出一个增强移动性管理框架，主要包括网络探测、网络选择和 网络切换三个步骤。提出一种可用于当前异构网络环境中的网络终 端选择算法，综合考虑网络和终端性能以及用户和业务需求，为用户 选择最佳的网络和终端提供服务，实现以用户为中心的泛在移动性。 其次，本文着重研究了认知无线电技术在异构网络中的应用，随 着业务的日益丰富，用户需求也随之增长，而无线频谱匮乏的问题已 成为未来网络发展的瓶颈；同时，为了实现基于不同空中接口以及协 议栈无线网络的新型业务，对异构网络接口互联互通提出了更高的要 求。为了解决以上问题，认知无线电技术应运而生。认知无线电基于 软件无线电平台，可动态感知无线频谱环境，根据环境动态改变系统 参数加以适配，同时根据不同的网络的空中接口和协议栈重配置，通 过动态频谱共享技术，进一步提高频谱利用率的同时实现空中接口互 连。频谱感知是认知无线电系统的关键功能之一，探测信号存在性并 进行识别是异构网络空中接口互连的前提。本文针对认知无线电系统 中的六种常见信号提出一种基于循环平稳特性检测的频谱感知方 案，通过循环谱分析选取简单有效的谱相关特征形成特征向量，结 合统计模式识别方法设计了一个非线性支持向量机分类器，并选择最 优核函数和核参数用于主用户信号识别。通过仿真对算法性能进行了 验证，并在不同信道条件下与传统分类器的性能进行了分析比较。仿 真结果表明本方案在低信噪比和小样本条件下具有更好的识别性能。 h j 1 矗_，jl f i l _ ， e 然后，本文提出一种结合频谱自适应( s p e c t r u ma d a p t a t i o n ，s a ) 与m i m o o f d m 技术的动态频谱共享方案。该方案通过功率门限模 型实现非授权信号的自适应频谱成型，并给出了一种简单的动态功率 分配算法以最大化比特率。仿真结果表明，该方案能够克服干扰温度 模型的局部干扰问题，使用m i m o 技术可进一步提高系统性能，通 过动态功率分配算法可降低计算复杂性并提高频谱利用率。 最后，多输入多输出正交频分复用( m i m o o f d m a ) 技术和多输 入多输出多载波码分多址( m i m o m c c d m a ) 技术结合了抗符号间 干扰和频率选择性衰落以及高容量特性，已分别成为3 g p pl o n gt e r m e v o l u t i o n ( l t e ) 和超三代( b 3 g ) 以及四代( 4 g ) 移动通信系统的核心技 术。本文研究了多用户m i m o o f d m a 系统和m i m o m c c d m a 系 统中基于认知无线电技术的动态频谱共享，并针对不同的通信业务设 计了不同的用户效用函数保障业务q o s 。提出一种基于用户效用和最 大化的动态资源分配与调度方案，通过松弛约束条件将n p h a r d 的组 合最优化问题转化为凸优化问题并通过拉格朗日对偶法进行分解，利 用次梯度迭代算法求解对偶问题求得原始问题最优解。仿真结果表 明，该方案可最大化用户效用和，获得主用户与认知用户的最优功率 速率分配并实现用户调度，且算法复杂度低收敛速度快。 以上的一些研究成果，以学术论文的形式发表于国内外一些重要 期刊和会议，并提交了相关发明专利申请。 关键词：异构通信网络，增强移动性管理，认知无线电，正交频分复 用，多天线 ! i i l，j 1，吧 日一 _ 厶 j r e s e a r c ho ns e v e r a lk e yt e c h n i q u e si n h e t e r o g e n e o usw i r e l e ssn e t w o r k a b s t r a c t o v e rt h ep a s td e c a d e ，t h e r eh a sb e e nas i g n i f i c a n ta d v a n c ei nt h ed e s i g n o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，a n dal a r g en u m b e ro fw i r e l e s s n e t w o r k sn o w a d a y sa r eb a s e do nd i f f e r e n tr a d i oa c c e s st e c h n o l o g i e s ( r a t ) a n d s t a n d a r d sa r es t i l lb e i n g d e v e l o p e d e a c hr a th a si t ss t r e n g t h s a n dw e a k n e s s e sw i t hr e s p e c tt o c a p a c i t y , c o s t , a c h i e v a b l ed a t ar a t e s ， s u p p o r tf o rq u a l i t yo fs e r v i c ea n ds u p p o r tf o re n du s e rm o b i l i t y a sn o s i n g l er a t w i l lb ea b l et of u l l ys u p p o r ta l ls e r v i c e sa n du s e rr e q u i r e m e n t s ， n e x tg e n e r a t i o nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k ( n g h w n ) w i l lb ea n i n t e g r a t i o no fd i f f e r e n tr a tt e c h n o l o g i e sa n dd i f f e r e n ts e r v i c e s s o m e n e wp r o b l e m se m e r g ei nt h ep r o c e s so fc o n v e r g e n c e ，s u c ha sr e f e r e n c e m o d e la n da r c h i t e c t u r e ，u b i q u i t o u sm o b i l i t ym a n a g e m e n t ，r a d i oi n t e r f a c e i n t e r c o n n e c t i o n ，j o i n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds e r v i c eq u a l i t y m a n a g e m e n t t h e s ei s s u e s b e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e da n d d i f f i c u l td u et ot h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，i m p r o v e du s e r r e q u i r e m e n t sa n ds c a r c i t yo ft h er a d i os p e c t r u mr e s o u r c e a p p a r e n t l y , s o m en o v e lt h e o r e t i ca n dt e c h n i q u e sa r er e q u i r e df o rt h es o l u t i o no f a b o v ei s s u e s s i n c et h ec o n v e r g e n c eo fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k si sah u g e i v p r o b l e mw h i c hc o n t a i n sal o to fi s s u e s ，t h i st h e s i so n l yc h o o s es o m eo f t h e ma st h eo b j e c t sf o rr e s e a r c h ，s u c ha su b i q u i t o u sm o b i l i t ym a n a g e m e n t , n e t w o r ka n dt e r m i n a ls e l e c t i o n ，c o g n i t i v er a d i ob a s e d j o i n tr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ta n dq o sm a n a g e m e n t t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n si nt h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e d 嬲 f o l l o w s f i r s t l y , u s e r m o b i l i t y i sa t y p i c a l b e h a v i o ri nm o d e mm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s , a n dt h em o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g yh a s b e e nf u l l ys t u d i e di nt h ee x i s t i n gn e t w o r k s h o w e v e r , h o wt og u a r a n t e e t h es e r v i c ep e r f o r m a n c ei 屺i d s sd i f f e r e n tr a t sw i t ho v e r l a p p e dc o v e r a g e i sa l lu r g e n tp r o b l e mf o rs t u d y t h ea d v a n c e dm o b i l i t ym a n a g e m e n ti s s t u d i e di n t h i st h e s i sa n da nj n t e g r a t e da r c h i t e c t u r eh a sb e e np r o p o s e d a c c o r d i n gt on e x tg e n e r a t i o nh e t e r o g e n e o u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a r c h i t e c t u r ea n di n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s t h r e ef u n c t i o n a lm o d u l e sa le i n c l u d e di nt h ea d v a n c e d m o b i l i t ym a n a g e m e n tm o d e l ，s u c h a s i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，n e t w o r k t e r m i n a ls e l e c t i o na n dh a n d o f fd e c i s i o n an o v e ln e t w o r ks e l e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di n t h i st h e s i s ，w h i c h i n t e g r a t e sc o n s i d e r a t i o no fn e t w o r k t e r m i n a lp e r f o r m a n c e , s e r v i c ea n d u s e rr e q u i r e m e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n tn e t w o r ka n d t e r m i n a lc a nb ec h o s e nf o rt h es e r v i c e sw i t hd i f f e r e n ts e r v i c e r e q u i r e m e n t sa n du s e rd e m a n d s t h en e t w o r ks e l e c t i o nr e s u l t sa r es h o w n t om e e tt h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e so ft h ed e c i s i o nm a k e rt os u p p o r t v j 毫 fn j ， u b i q u i t o u sm o b i l i t ya n do p t i m a ln e t w o r ka c c e s si nt h eh e t e r o g e n e o u s s e c o n d l y ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yi nt h e h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s s i n c et h el a t e s tp o p u l a r i t yo fw i r e l e s sd e v i c e s a n da p p l i c a t i o n sl e dt ot h ed e v e l o p m e n to fah u g ev a r i e t yo fw i r e l e s s s e r v i c e s ，t h er a p i di n c r e a s ei nt h ed e m a n d sf o rh i g h - s p e e dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n ss t a n d si nc l e a r c o n t r a s tt ot h e r a t h e rl i m i t e dr a d i o s p e c t r u mr e s o u r c e s m o r e o v e r , t h ef u t u r eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ks h o u l d i n t e g r a t et h em u l t i p l er a t sw i t hd i f f e r e n tr a d i oi n t e r f a c e s t o s u p p o r t a d v a n c e dw i r e l e s ss e r v i c e s c o g n i t i v er a d i o ，d e f i n e da sa ni n t e l l i g e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a ti sa w a r eo fi t se n v i r o n m e n tw i t h a d a p t a t i o na b i l i t ya n dr e c o n f i g u r a b l ei n t e r o p e r a b i l i t y , i sv i e w e da s a n e f f i c i e n ta p p r o a c hf o ri m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no ft h ep r e c i o u ss p e c t r u m r e s o u r c ea n di n t e g r a t i n gt h ed i f f e r e n tr a t s s p e c t r u ms e n s i n gi so n eo f t h em o s tc h a l l e n g i n gf u n c t i o n si nc o g n i t i v er a d i os y s t e m d e t e c t i o no ft h e p r e s e n c eo fs i g n a l sa n dd i s t i n c t i o no ft h et y p eo fs i g n a l si nap a r t i c u l a r 疳e q u e n c yb a n da r ep r e c o n d i t i o nf o rc o g n i t i v er a d i o st oi n t e r c o n n e c to t h e r r a d i oi n t e r f a c e si nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k i nt h i st h e s i s ，an o v e la p p r o a c h t os i g n a lc l a s s i f i c a t i o nc o m b i n i n gs p e c t r a lc o r r e l a t i o n a n a l y s i sa n d s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) i si n t r o d u c e d f o u rs p e c t r a lc o h e r e n c e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r ec h o s e nv i as p e c t r a lc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，a n d t h e no p t i m a lk e r n e lf u n c t i o na n dp a r a m e t e r sa r es e l e c t e df o ran o n l i n e a r v i s v mv i ak e r n e la l i g n m e n tb a s e dm e t h o da n dc r o s s - v a l i d a t i o nm e t h o d s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hi sm o r ee f f e c t i v ei nt h ec a s e o fl o ws n ra n dl i m i t e dt r a i n i n gn u m b e r sc o m p a r e dt ot h ee x i s t i n g m e t h o d s a n dt h e n ，曩n o v e ld y n a m i cs p e c t r u ms h a r i n gs c h e m ec o m b i n i n g s p e c t r u ma d a p t a t i o na n dm i m o - o f d mf o rc o g n i t i v er a d i os y s t e mi s p r o p o s e di nt h i st h e s i s g i v e ns p e c t r u ms e n s i n ga n dc h a n n e le s t i m a t i o n i n f o r m a t i o nb yt h er e c e i v e r , 觚i m p r o v e dm o d e ld u ot ot r a n s m i tp o w e r t h r e s h o l d sf o rs a m i m o - o f d ms y s t e mi sa d o p t e dt oa c h i e v es p e c t r u m a d a p t a t i o nf o ru n l i c e n s e du s e r l li no r d e rt oi m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c y a n dr e d u c ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , 曩s i m p l ed y n a m i cp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h mi sa l s op r o p o s e d ，s i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h e h e r n es o l v e s t h ep a r t i a li n t e r f e r e n c ep r o b l e mi ni n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r em o d e la n d h i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c yi sa c h i e v e db ym u l t i a n t e n n at e c h n i q u e s f i n a l l y , m i m o - o f d m aa n dm i m o - m c - c d m aa r et r e m e n d o u s l y g a i n i n gi np o p u l a r i t yn o w a d a y sa sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rs u p p o r t i n g h i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n a n dl o wi n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e i n m u l t i p a t hf a d i n ge n v i r o n m e n t s t h e ya r ea l s op r e v a l e n tc a n d i d a t e si n f u t u r eg e n e r a t i o nb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s ，s u c ha s3 g p p l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) ，b e y o n d3 g ( b 3 g ) a n d4 gs y s t e m s t h e d y n a m i cs p e c t r u ms h a r i n gs c h e m ei nm u l t i u s e rm i m o o f d m aa n d m i m o - m c c d m a c o g n i t i v er a d i os y s t e ma r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s v h j 1 i p d 一 j i no r d e rt op r o v i d eq o ss u p p o r t ，s o m eu t i l i t yf u n c t i o n sa r ed e s i g n e df o r d i f f e r e n ts e r v i c e s an o v e ld y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n g s c h e m eb a s e do nu s e rs u m u t i l i t ym a x i m i z a t i o ni sa l s op r o p o s e d a f t e r b e i n gt r a n s f o r m e di n t oac o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e mv i ar e l a x a t i o n m e t h o d ，t h en p - h a r dc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o np r o b l e mc a l lb es o l v e d b y al a g r a n g i a np r i m a l - d u a la p p r o a c h t h eo p t i m a ls o l u t i o no ft h ep r i m a l p r o b l e mc a l l b eo b t a i n e dt h r o u g has u b g r a d i e n ti t e r a t i v e a l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s i t i o n a la l g o r i t h mc o n v e r g e st o o p t i m a lp o w e r r a t ea l l o c a t i o nf o rp r i m a r yu s e r sa n dc o g n i t i v er a d i ou s e r s w i t hm a x i m a ls u m u t i l i t ya n da c h i e v e so p t i m a lu s e rs c h e d u l i n gw i t hl o w c o m p l e x i t ya n df a s tc o n v e r g e n c es p e e d a c c o r d i n gt oa b o v et a s k sa n da c h i e v e m e n t s ，s o m et e c h n i c a lp a p e r s h a v e b e e np u b l i s h e d ，a n df o u rt e c h n i c a lp a t e n t sh a v eb e e na p p l i e d k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , a d v a n c e dm o b i l i t y m a n a g e m e n t ，c o g n i t i v er a d i o ，o f d m ，m i m o i 、 0 北京邮电大学博士论文目录 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景l 1 2 关键技术简介。3 1 3 主要研究内容5 1 3 1 支持增强移动性的异构通信网络5 1 3 2 异构无线网络中的认知无线电技术8 1 4 章节安排及创新点1 0 1 5 本章参考文献14 第二章以用户为中心的网络终端智能选择方法。1 7 2 1 本章引言1 7 2 2 增强移动性管理模型。1 7 2 2 1 用户终端注册模块1 9 2 2 2 网络终端智能选择模块2 0 2 2 3 网络终端智能切换模块2 l 2 3 网络终端智能选择方法2 2 2 3 1信息收集。2 3 2 3 2 网络选择。2 6 2 3 3 终端选择。3 2 2 4 仿真实验与分析3 5 2 5 本章小结4 2 2 6 本章参考文献4 2 第三章基于循环谱分析和支持向量机的频谱感知方案与算法4 4 3 1本章引言4 4 3 2 认知无线电系统中的频谱感知方案4 4 3 2 1匹配滤波器检测4 5 3 2 2 能量检测。4 7 3 2 3 循环平稳特性检测4 7 3 3 基于循环谱分析和支持向量机的频谱感知方案“4 8 3 3 1系统模型。4 8 3 3 2 循环谱分析5 0 3 3 3 支持向量机。5 4 3 4 性能仿真与分析5 9 3 4 1 核函数及参数选择。5 9 3 4 2方法设计。6 2 3 4 3 仿真分析6 3 l x 北京邮电大学博士论文目录 3 5 本章小结6 7 3 6 本章参考文献6 7 第四章基于频谱自适应的动态频谱共享方案与算法7 l 4 1 本章引言7 l 4 2系统模型7 l 4 3 动态频谱共享方案7 3 4 3 1 干扰温度模型7 5 4 3 2 功率门限模型。7 7 4 4 动态功率分配算法7 8 4 5 性能仿真与分析8 2 4 5 1 信道模型及仿真系统参数8 2 4 5 2仿真结果8 4 4 6 本章小结8 9 4 7 本章参考文献9 0 第五章多用户认知无线电系统中的联合无线资源分配与调度9 3 5 1 本章引言9 3 5 2 系统模型9 4 5 2 1 系统描述9 4 5 2 2信道模型9 6 5 3 联合资源分配与调度方案与算法9 8 5 3 1 方案描述，9 8 5 3 2 问题建模1 0 1 5 3 3 问题求解1 0 2 5 4 性能仿真与分析1 1 2 5 4 1 仿真系统参数1 12 5 4 2仿真结果l12 5 5 本章小结l19 5 6本章参考文献l l9 第六章结束语1 2 2 6 1 下一步工作展望：12 3 6 2 攻读博士期间参与的部分研究项目1 2 4 1 i ! i ：谢12 5 作者在攻读博士期间发表和已投出的论文1 2 6 作者在攻读博士期间申请的专利和软件著作权12 8 x 4 一 北京邮电大学博士论文图表目录 图表目录 图1 1异构通信网络2 图1 2 增强型移动性管理简单功能模型。7 图1 3 认知循环1 0 图2 1 异构网络环境1 8 图2 2 用户终端注册模块示意图1 9 图2 3网络终端智能选择模块功能示意图2 0 图2 - 4网络终端智能选择流程图2 3 表2 1网络参数描述2 4 表2 2 业务参数描述2 5 表2 3 用户参数描述2 6 表2 - 4 终端参数描述2 6 表2 5 终端与网络相关选择表3 2 表2 - 6 终端与业务相关选择表3 3 表2 7 终端选择评价指标3 5 表2 8网络选择评价指标及属性值3 6 表2 - 9 业务参考属性值3 6 表2 1 0 不同用户偏好下的初始权重设置3 7 图2 5 使用流媒体业务在不同用户偏好下的网络选择结果3 9 图2 - 6 使用v o l p 业务在不同用户偏好下的网络选择结果3 9 图2 7 使用网页浏览业务在不同用户