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博士学位论文答辩 认知MIMO网络资源分配关键技术研究 报告人 魏飞指导教师 杨震教授 课题来源 国家863计划 项目编号 2009AA01Z241 国家自然科学基金项目 项目编号 60971129 国家973计划 项目编号 2011CB302903 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 课题背景 意义与研究目的 1 认知无线电 CR 目的与授权用户共享频谱 对频谱二次 开发 提高频谱利用率 前提不对PU造成有害干扰 保障PU的QoS 频谱共享方式机会频谱接入 OSA SU接入感知到的空闲频谱共存频谱接入 CSA SU控制对PU的干扰 满足干扰温度约束 课题背景 意义与研究目的 2 时间 认知MIMO网络 认知无线电 MIMO认知MIMO网络能够在空间维度上与PU共享频谱资源 频谱利用方式更灵活也更有效 认知网络资源分配 课题背景 意义与研究目的 3 最大化SU速率 信噪比 吞吐量 认知MIMO资源分配 保障PUQoS 本课题研究目的 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 研究内容 1 研究内容 4个部分 解决了三个问题 提出了一种改进方案 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 1 认知MIMO多址接入信道模型 资源参数 发送协方差矩阵 其中 预编码矩阵 功率分配矩阵 发送协方差矩阵集合 优化目标 认知MIMOMAC速率和 约束条件 干扰温度约束 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 2 速率和最大化问题 凸优化问题 经典算法 循环顺序迭代注水 每个用户分别按顺序循环更新自身的发送协方差矩阵直至收敛 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 3 构造部分Lagrange函数 为对应于第i个PU干扰温度约束的对偶变量 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 4 部分对偶分解 对偶函数 所有SU依次求解 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 5 求解子问题1 在处的次梯度为 求解子问题2 解决方法 新的循环顺序迭代注水 解决方法 次梯度投影 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 6 算法流程图 收敛性总是能够收敛到最优解 仿真结果参数设置4个2天线SUT与1个2天线SUR1个单天线PUR SUT至SUR距离 SUT至PUR距离 路径损耗指数 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 8 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 9 收敛速度较快 复杂度低适合认知无线电环境 认知MIMO多址接入信道中的最优发送协方差矩阵设计 10 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 1 认知MIMO干扰信道模型 资源参数 发送协方差矩阵 优化问题 第个SU的信息速率 求解最大速率和 发送协方差矩阵集合 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 2 干扰温度约束 约束条件 1 交换SU的CSI需信令开销 2 目标函数 速率和 非凸 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 3 广义Nash均衡问题 关键技术问 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 4 存在唯一Nash均衡解的充分条件 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 5 令 定义如 则存在唯一Nash均衡解 同信道干扰低至一定程度时 给定价格下的Nash均衡问题 解决方法 新的同步迭代注水算法 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 6 价格系数更新问题 非线性互补问题 NCP 其中定义 解决方法 可变步长投影算法 MIMO CRIWFA的流程图 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 7 算法的收敛条件 算法1 同步迭代注水 算法2 可变步长投影 定义矩阵当满足时 算法1收敛到唯一Nash均衡解 如果步长满足则算法2中价格系数更新所产生的序列收敛到的解 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 8 1个单天线PU8条多天线SU链路 仿真结果 参数设置 随机信道系数 MIMO CRIWFA的收敛过程 MIMO CRIWFAvs MIMOIWFA 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 9 不同PU干扰门限下的系统信息速率比较 认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应 10 不同的同信道干扰强度下的单用户平均信息速率比较 300次信道实现 全局GP算法集中式需要获取互CSI MIMO CRIWFA分布式不需要获取互CSI INR 干扰噪声比 MIMO CRIWFAvs 全局GP算法 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 1 认知中继网络模型 放大转发 AF 协议 1PU信息符号长度 2 SU信息符号长度 广播阶段 S广播信号至R中继阶段 R形成虚拟多天线 利用协作波束成形转发接收到的信号至D 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 2 资源参数 源节点发送功率 协作波束成形向量 优化目标 约束条件发送功率约束 干扰温度约束 目的节点接收信噪比 严格 宽松 干扰温度约束下 严格干扰温度约束 P1 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 3 P1的解析解 P2的解 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 4 宽松干扰温度约束 P2 求解归一化发送功率 最速下降法 解所在区间 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 5 协作波束成形 CB 与直接传输 DT 信息速率比较 一维拓扑结构 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 6 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 7 干扰温度与发送功率约束下 给定任意源发送功率下的最优协作波束成形计算最优源发送功率 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 8 问题分解 给定源发送功率下的最优协作波束成形 解决方法 Dinkelbach型方法 半定松弛 SDR 通过Dinkelbach型方法 将其转化为一系列二次约束二次规划 QCQP 问题 利用SDR技术 转换QCQP问题为易于解决的凸半定规划问题 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 9 松弛后问题与原问题的关系 解的等价性松弛后问题的解正是原问题的解 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 10 令是一个表示最优协作波束成形下SU目的节点的SNR随源发送功率变化关系的函数 源发送功率上界 解决方法 粒子群优化 PSO 不需要目标函数性质避免收敛于局部最优点 最优源发送功率选择 仿真结果参数设置4个中继节点1个PU接收节点任意节点距离为1 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 11 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 12 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 13 认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形 14 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 基于OSTBC的主次用户协作频谱共享 1 基本认知干扰信道模型 当到的PU链路信道质量较差时 SU将无法获得足够的空闲时隙 方案对比 文献 74 中方案 直接中继 本文方案 基于OSTBC Alamouti码 缺点 1 对中继信道质量要求较高2 会增加PU数据包的时延 条件 1 需要与之间进行协作2 需要获取其与以及与间的CSI 优点 1 对中继信道质量要求较低2 不会增加PU数据包的时延 基于OSTBC的主次用户协作频谱共享 2 问题表述 SU如何选择自己的发送功率以 基于OSTBC的主次用户协作频谱共享 3 资源参数 发送功率 优化目标SU数据包的吞吐量 约束条件保持PU数据包队列的稳定 SU吞吐量分析 错误检测概率为0时SU的最大吞吐量 基于OSTBC的主次用户协作频谱共享 4 错误检测概率不为0时SU的最大吞吐量 其中 基于OSTBC的主次用户协作频谱共享 5 基于OSTBC的主次用户协作频谱共享 6 不同PU数据到达率时SU的最大吞吐量 基于OSTBC的主次用户协作频谱共享 7 中继链路信道质量对SU最大吞吐量的影响 内容提要 课题背景 意义与研究目的课题研究内容认知MIMO多接入信道中的最优发送协方差矩阵设计认知MIMO干扰信道中的分布式波形自适应认知中继网络中的最优源功率控制与协作波束成形基于OSTBC的主次用户协作频谱共享总结与展望 总结与展望 1 创新点总结 总结与展望 2 进一步研究方向 总结与展望 3 考虑CSI估计误差对系统性能以及计算方法的影响 如何鲁棒设计多天线SU如何通过空间信号处理技术来消除来自PU发送端的干扰 攻读博士学位期间撰写的学术论文 1 魏飞 杨震 基于博弈论的MIMO认知无线电波形自适应算法 电子学报 2011 39 10 2269 2276 魏飞 杨震 认知MIMOMAC最优迭代注水算法 通信学报 2011 11 132 138 魏飞 杨震 MIMO认知无线电分布式波形自适应算法 电子与信息学报 2011 33 6 1356 1360 魏飞 杨震 干扰温度约束下的最优源功率控制与协作波束成形 南邮学报 已录用 文章编号 201205110072 WeiF YangZ AnACOalgorithmforsum ratemaximizationprobleminopportunisticspectrumallocation In ProceedingsofWirelessCommunications NetworkingandMobileComputing WiCOM 2008 1 4 WeiF YangZ ZhuQ ThroughputanalysisofcognitiveradiowithOSTBCbetweenprimaryandsecondaryusers In ProceedingsofWirelessCommunications NetworkingandMobileComputing WiCOM 2010 1 5 WeiF XiaPR YangZ etal DecentralizedwaveformdesignforMIMOcognitiveradiounderinterferencetemperatureconstraint In ProceedingsofInternationalConferenceonNetworkingandDistributedCo