（通信与信息系统专业论文）radio+resource+management+in+cognitive+radio+using+evolutionary+techniques.pdf

域；1 ：， 蚤 ： 【 k 。 r a d i or e s o u r c e i a n a g e m e n ti nc o g n i t i v er a d i o u s i n ge v o l u t i o n a r yt e c h n i q u e s m u h a m i a dw a h e e d s u b m i t t e dt o t h es c h o o lo f 玳f o r 伽o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g l n e e r i n g a n dt h ec o m m l l 呵e eo ng r a d u a t es t u d l e s o fb e u i n gu n l v e r s n yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n n l c a t i o n s i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e e0 f d o c t o ro fp h l l o s o p h y c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m 姗o ns y s t e m b c i j i n g ，p e o p l er e p u b l i co fc h i n a ，2 0 1 0 m u h a m m a dw a h e e d2 0 1 0 0盆罗li c o p y r i g h tb ym u h a m m a dw a h e e d2 0 1 0 a l lr i g h t sr e s e r v e d _气1膏、 l等 _ j ， 一 。， 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 本人签名 ，本人承担一切相关责任。 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，即： 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 本人签名 导师签名 适用本授权书。 日期： 、 - 一p ， ， 每 - t 产 。参 ，- 一 上 a b s t r a c t t h i st h e s i sa d d r e s s e sr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) i nc o g n i t i v er a d i o ( c r ) f o r o p t i m a l u t i l i z a t i o no fr a d i oa n dh a r d w a r er e s o u r c e s w e e x p l o r ee v o l u t i o n a r y o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sf o rr r mi nc ra sw e l la st oi m p l e m e n ta d v a n c et r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e st oe n h a n c ee f f i c i e n c yo fc r a ta f f o r d a b l ec o s ta n d c o m p l e x i t y t h ef i r s tc o n t r i b u t i o no ft h et h e s i sa d d r e s sc rp a r a m e t e r a d a p t a t i o np r o b l e mi n m u l t i c a r r i e re n v i r o n m e n tt od e t e r m i n et h eo p t i m a ls e to ft r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sf o ra g i v e ns i t u a t i o n as e to ft r a n s m i s s i o na n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa r ed e f i n e da n d f i t n e s sf u n c t i o n st h a tc o v e rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa r ed e v e l o p e dt o i m p l e m e n tc o g n i t i v ec o n t r o lm e t h o d d i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o no b i e c t i v e sa l ed e f i n e d a n du s e di nc o m b i n a t i o nw i t ht h e s ef i t n e s sf u n c t i o n st od i r e c tc rt oas o l u t i o n 聃 a p p l i e dd i f f e r e n te v o l u t i o n a r ym e t h o d st oo p t i m i z em u l t i p l ec ro b j e c t i v e sf o rd i f f e r e n t m o d e s s i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a ts w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sp r o v i d eh i g h e r f i t n e s sv a l u e sa n dt r a d eo f fm u l t i p l eo b j e c t i v e sm o r ee f f i c i e n t l y c o m p a r e dw i t ho t h e r e v o l u t i o n a r ym e t h o d s a sas e c o n dc o n t r i b u t i o ni nt h i sw o r k , w 毫a d d r 鲻l o s o u r o ea l l o c a t i o ni nm u l t i u s e r 0 f d m b a s e dc rs y s t e ma n da p p l ye v o l u t i o n a r yt e c h n i q u e st oc r s c h e d u l i n gp r o b l e m s i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tp r o p o s e da l g o r i t h m sp r o v i d ea ne f f i c i e n ts o l u t i o nf o rr a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n ti no f d m a b a s e dc o g n i t i v er a d i on e t w o r k t h e ym a x i m i z et h e s y s t e mc a p a c i t yw h i l ea d h e r i n gt ot h ei n t e f f e r e n c ea n dp o w e rc o n s t r a i n t s u t i l i z a t i o no fm u l t i p l ea n t e n n at r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei sap o t e n t i a ls o l u t i o nt oc 0 c h a n n e li n t e r f e r e n c ep r o b l e m si nc o e x i s t i n ge n v i r o n m e n t s h o w e v e r , a d d i t i o n a ls y s t e m c o s ta n dc o m p l e x i t i e sa s s o c i a t e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a sl i m i tt h e i ra p p l i c a t i o ni nc ：r s y s t e m s t h i r dc o n t r i b u t i o no ft h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa n t e n n as e l e c t i o ni nc o g n i t i v e m i m os y s t e m sa n d l a m g o s c sl o wc o m p l e x i t ya n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m s w h e r e i n ， u s i n go n l yas u b s e to fa v a i l a b l ea n t e n n a st ot r a n s m i to rr e c e i v es i g n a lg r e a t l yr e d u c e h a r d w a r ec o s ta n dc o m p l e x i t i e so ft h ec rt r a n s c e i v e r s , w h i l ek e e p i n gm u c ho ft h e b e n e f i t so fm u l t i p l ea n t e n n a s t h i sr e s e a r c hw o r ko nt h ew h o l ei se x p e c t e dt oc o n t r i b u t ei nt h ee f f o r t st o w a r d s r e a l i z a t i o no fc o g n i t i v er a d i o sa n dn e t w o r k s 歹一 ， ， r ，古 摘要 本文致力于能够最好地利用无线电和硬件资源的认知无线电( c r ) 方面的无线资 源管理( r r m ) 。我们探讨c r 中用于r r m 的进化优化技术以及实现先进传输技术 以适当的成本和复杂性来提高c r 效率。 本文的第一贡献是解决了多载波环境中的合理参数问题，确定特定情况下传输参 数的优化设置。首先定义一系列传输和环境参数，给出包含这些参数间关系的适 应度函数。然后不同的通信目标被定义并结合这些适应度函数以利用c r 达成解决 方案。我们采用不同的进化方法为不同模式优化多种c r 目标模拟结果表明，粒 子群优化算法比其他进化算法提供更高的适应值和更有效地取舍多重目标。 这项工作的第二个贡献是，我们将基于o f d m 的c r 多用户系统的资源优化归结为 整数规划问题，礴应用进化技术来解决该问题。模拟结果表明，提出的进化算法 对于基于o f d m a 的认知无线电网络方面的无线资源管理提供了一个有效的解决方 案。它们最大限度地提高系统能力。同时坚持限制干扰和功率。 多天线传输技术的利用对共存环境中的合作信道干扰问题可能是一个潜在的解决 方案。然而，额外的系统成本和多天线的复杂性限制其在c r 系统的应用。本文的 第三个贡献介缪了认知m i m o 系统中的天线选择并提供了低复杂性的天线选择算 仅使用那些能够发送或接收信号的可用天线会大大降低硬件成本和c r 杂性，同时保持了多天线的许多好处。 将有助于认知无线电和网络的实现。 - - ， o 移 一 上 簟 歹 ，t a c k n o w l e d g e m e n t s 1w o u l dl i k et oo f f e rm y e n d u r i n gg r a t i t u d et ot h ef a c u l t y ，s t a f fa n dm yf e l l o ws t u d e n t sa t t h eb e i j i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ( b u p t ) ，a l lo fw h o mh a v e i n s p i r e dm e t oc o n t i n u em yw o r ki nt h i sf i e l d io w e p a r t i c u l a rt h a n k st om ys u p e r v i s o r ， p r o f a n n ic a i ，w h oh a sp r o v i d e di n s i g h t f u lg u i d e l i n e s ，c o n s t r u c t i v ec o m m e n t s ，a n d i n v a l u a b l es u g g e s t i o n st h r o u g h o u tt h i ss t u d ya n dr e s e a r c hw o r k w i t h o u th e rs u p p o r t ， t h i sw o r kw o u l dn o th a v eb e e np o s s i b l e i ti sm yg r e a tp r i v i l e g et oh a v eb e e no n eo fh e r s t u d e n t s 1w o u l dl i k et oe x p r e s sm ys i n c e r et h a n k st om yf a m i l yf o rt h e i rs e l f l e s sl o v e a n dc a r i n g s p e c i a lt h a n k sa r co w e dt om ym o m ，w h oh a ss u p p o r t e dm ct h r o u g h o u tm y y e a r so fe d u c a t i o n m y t h a n k sg ot ot h ec h i n e s es c h o l a r s h i pc o u n c i la n db e i j i n gg o v e r n m e n tf o ra w a r d i n g m ep h d s c h o l a r s h i pa n de x t e n d i n gm et h i so p p o r t u n i t yt oa c h i e v et h i sl a n dm a r ki nm y e d u c a t i o n a lc a r e e r ia ma l s ot h a n k f u lt op a k i s t a nt e l e c o m m u n i c a t i o nc o m p a n yf o r s p a r i n gm ef o rt h i se n t i r ep e r i o dt oa c c o m p l i s hm yr e s e a r c hw o r k i t sa l lb e c a u s eo f c h i n e s ea n dp a k i s t a n ig o v e r n m e n t st o g e t h e r , t h e yh a v ep r o v i d e dm ew i t ht h i s o p p o r t u n i t ya n dt h ef m a n c i a lm e a n st oe n g a g ei na n dc o m p l e t et h i sw o r k v b - p ， 一，；。 t om y p a r e n t sa n d f a m i l y 摹 乙 - ， 奄 l 参 ： t a b l eo fc o n t e n t s 1 f i s to ft a b l e s x l i s to ff i g u r e s x i n o t a t i o n s x i i i a c r o n y m s x i v c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d 】【 1 2s c o p eo fr e s e a r c h 2 1 3r e s e a r c hm o t i v a t i o n 3 1 4r e s e a r c ho l 1 j e c t i v e s 4 1 5r e s e a r c hc o n t r i b u t i o n s 6 1 6d i s s e r t a t i o no r g a n i z a t i o n 7 c h a p t e r2 c o g n i t i v er a d i o s ：p r o s p e c t sa n dc h a l l e n g e s 9 2 1c o g n i t i v er a d i o s 9 2 2c o g n i t i v er a d i op a r a d i g m s 1 3 2 2 1 u n d e r l a y 1 4 2 2 2 o v e r l a y 1 5 2 ：! 2 li n t e r w e a v e 1 6 2 3a d v a n c e dt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s 1 6 2 3 1o f d m 1 7 2 3 2m i m o 。1 8 2 4e n a b l i n gt e c h n i q u e sf o rc r 1 8 2 4 1 d y n a m i cf r e q u e n c ym a n a g e m e n t 1 9 2 4 2s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) 。2 0 2 4 3 a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 2 1 2 5r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ti nc r 2 2 ，o p 2 5 1 c o g n i t i v er a d i op a r a m e t e ra d a p t a t i o n 2 3 ：! 5 2r e s o u r c ea l l o c a t i o n 2 3 ： ! ；：ia n t e n n as e l e c t i o n 2 5 2 6c h a p t e rs u m m a r y 2 5 c h a p t e r3 e v o l u t i o n a r yo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sf o rc o g n i t i v er a d i o 2 7 3 1i n t r o d u c t i o n 2 7 3 2o v e r v i e wo ft r a d i t i o n a la it e c h n i q u e sf o rc r 3 0 3 3e v o l u t i o n a r yt e c h n i q u e sf o rc o g n i t i v er a d i o 3 1 3 3 ig e n e t i ca l g o r i t h m s 3 1 3 3 2a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n 3 7 3 3 3p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 。4 0 3 4c o m p u t a t i o nt i m e sf o re v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s 4 3 3 5c h a p t e rs u m m a r y 4 3 c h a p t e r4 c o g n i t i v er a d i op a r a m e t e ra d a p t a t i o n 4 4 4 1i n t r o d u c t i o n 4 4 4 2c o g n i t i v er a d i oo p e r a t i n gp a r a m e t e r s 4 7 4 2 1e n v i r o n m e n t a lm e a s u r e m e n t s 4 7 4 2 2d e c i s i o nv a r i a b l e s 4 8 4 3p e r f o r m a n c e0 b j e c t i v e s 5 0 4 3 1 s i n g l eo b j e c t i v ef u n c t i o n s 5 0 4 4m u l t i o b j e c t i v ef i t n e s sf u n c t i o n 5 3 4 4 1f i t n e s so b j e c t i v er e p r e s e n t a t i o n 5 3 4 4 2 m u l t i o b j e c t i v ef i t n e s sf u n c t i o n 5 5 4 5p a r a m e t e r a d a p t a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s 5 6 4 5 1b a c o & g a i m p l e m e n t a t i o n 。5 7 4 5 2b p s o ，b a c o & g ai m p l e m e n t a t i o n 。6 2 4 6c h a p t e rs u m m a r ya n dc o n c l u s i o n s 6 8 c h a p t e r 5r e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d m - b a s e dc o g n i t i v er a d i on e t w o r k 6 9 5 1i n t r o d u c t i o n 5 2r e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d ms y s t e m s 。7 1 5 3r e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d m b a s e dc rs y s t e m s 7 2 v i ”i i 、 够 毋 专 一 ， 5 3 1 s y s t e mm o d e l 7 3 1 ；3 2p r o b l e mf o r m u l a t i o n 7 5 5 3 3r e s o u r c eo p t i m i z a t i o ni no f d m - b a s e dc r n 7 7 1 ；3 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 7 7 5 4c h a p t e rs u m m a r ya n dc o n c l u s i o n s 8 2 c h a p t e r6a n t e n n as e l e c t i o ni nc o g n i t i v em i m os y s t e m s 8 3 6 1i n t r o d u c t i o n 8 3 6 2a no v e r v i e wo fm i m os y s t e m s 8 5 6 2 1m i m oi nc o g n i t v es y s t e m s 8 6 i ：ia n t e n n as e l e c t i o n 8 8 6 3 1a n t e n n as e l e c t i o nf o rs p a t i a ld i v e r s i t y 8 9 6 3 2a n t e n n as e l e c t i o nf o rs p a t i a lm u l t i p l e x i n g 9 0 6 4a n t e n n as e l e c t i o ni nc o g n i t i v em i m o s y s t e m s 6 0 0 0 0 9 0 0 1 q q o i o q g d o o o i o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0m l o o o o o m o d o o 9 0 6 4 1 s y s t e mm o d e l 9 2 6 4 2p r o b l e mf o r m u l a t i o n 9 2 6 4 3t r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o ni uc o g n i t i v em i m o 9 3 6 4 4 s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 9 4 6 4 5 c o m p l e x i t yc o m p a r i s o n 9 9 6 5c h a p t e rs u m m a r ya n dc o n c l u s i o n s 1 0 0 c h a p t e r7c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k 1 0 1 7 1r e s e a r c hc o n t r i b u t i o n s 1 0 2 7 2f u t l i i w o r k 1 0 3 r e f e r e n c e s 】【0 5 p u b l i c a t i o n s 。11 8 - 口 i i i 嘎 l i s to ft a b l e s h m b e r t a b l e3 1 t a b l e4 1 t a b l e 4 2 t a b l e4 3 t a b l e4 4 t a b l e4 5 t a b l e5 1 t a b l e6 1 p a g e p h e r o m o n eu p d a t es t r a t e g yf o rb a c o - c r a l g o r i t h m 4 0 e n v i r o n m e n t a l l ys e n s e dp a r a m e t e rl i s t 4 8 t r a n s m i s s i o np a r a m e t e rl i s t 4 9 c o g n i t i v er a d i oo b j e c t i v e s 5 0 w e i g h ts e t t i n g s 5 6 p a r a m e t e ra d a p t a t i o nc o m p u t a t i o nt i m e 6 7 r e s o u r c ea l l o c a t i o nc o m p u t a t i o nt i m e 8 1 c o m p u t a t i o nt i m e so fa n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m s 9 9 x r 碜 ， l i s to ff i g u r e s m m b e r p a g e f i g u r e2 1s p e c t r u mo c c u p a n c ym e a s u r e m e n t s9k h z t o1g h z ，l a w r e n c e ，u s a 1 0 f i g u r e3 1 g e n e t i ca l g o r i t h mp r o c e s sf l o w 3 5 f i g u r e3 2r o u t i n gd i a g r a mo fa n t si nb a c o ：；8 气 f i g u r e4 1 p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n ：b a c ov e r s h sg a ，m o d e1 6 0 f i g u r e4 2 p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n ：b a c ov e r s u sg a ，m o d e2 6 0 f i g u r e4 3 p e r f o r m a n c ec o m p a r i 。s o n ：b a c ov e r s u sg a ，m o d e3 6 1 f i g u r e4 4 p e r f o r m a n c ec o m p a n s o n ：b a c ov e r s u sg 八m o d e4 。6 1 f i g u r e4 5 p e r f o r m a n c ec o m p a r i 。s o n ：b p s o ，b a c oa n dg 6 l ，m o d e1 6 4 f i g u r e4 6 p e r f o r m a n c ec o m p a n s o n ：b p s o ，b a c oa n dg a , m o d e2 6 4 f i g u r e4 7 p e r f o r m a n c ec o m p a r i 。s o n ：b p s o ，b a c oa n dg d l ，m o d e3 6 5 f i g u r e4 8 p e r f o r m a n c ec o m p a r i 。s o n ：b p s o ，b a c oa n dg j l ，m o d e4 6 5 f i g u r e4 9 b p s o ，t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sf o rm a x t h r o u g h p u tm o d e 6 6 f i g u r e4 1 0 b a c o ，t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sf o r ，1 c 1 c t h r o u g h p u tm o d e 6 6 f i g u r e4 11 g a , t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sf o rm a x t h r o u g h p u tm o d e 6 7 f i g u r e5 1 c o - e x i s t e n c eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yu s e r si ns p a t i a ld o m a i n 7 4 f i g u r e5 2s i d e - b y s i d ec o - e x i s t e n c eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yu s e r si ns p e c t r a l d o m a i n 7 4 f i g u r e5 3 s y s t e mc a p a c i t yv e r s u sm a x i m u mt o l e r a b l ei n t e r f e r e n c ep o w e r ( w a t t s ) ，w i t hp c 口丌衙= 5 r o w ，尸栅讲= 1 0 0m w ，n = 1 6a n dk = 4 7 8 f i g u r e5 4 s y s t e mc a p a c i t yv e r s u sm a x i m u mt o l e r a b l ei n t e r f e r e n c ep o w e r w a t t s ) ，w i t hp 研讶= 1 0 r o w ，只咖，= 1 0 0m w ，n = 1 6a n dk = 4 7 9 f i g u r e5 5 s y s t e mc a p a c i t yv e r s u sm a x i m u mt o l e r a b l ei n t e r f e r e n c ep o w e r ( 如 w a t t s ) ，w i t hp 御岍= 1 5 m w ，只嘲，= 1 0 0m w ，n = 1 6a n dk = 4 7 9 。啼， - 肆 ， f i g u r e5 6s y s t e mc a p a c i t yv e r s u sm a x i m u m t o l e r a b l ei n t e r f e r e n c ep o w e r ( 如 w a t t s ) ，w i t hp c 4 眦r = 5 m w ，= 5 0 0m w ，n = 3 2 a n dk = 6 8 0 f i g u r e5 7s y s t e mc a p a c i t yv e r s u sm a x i m u m t o l e r a b l ei n t e r f e r e n c ep o w e r ( 如 w a t t s ) ，w i t hp 嘶嘲r _ - - r _ 1 5 m w p m 畦= 5 0 0m w ，n = 3 2a n dk = 6 8 0 f i g u r e5 8 s y s t e mc a p a c i t yv e r s u sm a x i m u mt o l e r