1、隨著當(dāng)今社會(huì)信息化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，各種信息技術(shù)正不斷趨向融合，這為大規(guī)模發(fā)展新一代低成本、低功耗、具有多元化服務(wù)、分布式且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫覆蓋的寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供了前所未有的機(jī)遇.人們期待通過(guò)新一代的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)“任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，通過(guò)任何設(shè)備進(jìn)行任何內(nèi)容的通信與傳輸”，既個(gè)人通信中所說(shuō)的5A愿景(Anyone，Anytime，Anywhere，Anydevice，Anything，5A).然而在實(shí)現(xiàn)這一“5A

2、”目標(biāo)的過(guò)程中，無(wú)論是在整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還是在無(wú)線接入技術(shù)方面都還面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
　　 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要基于分層的設(shè)計(jì)理念，這種分層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)具有其明顯的不足之處。比如，基于分層的設(shè)計(jì)理念每一層通信協(xié)議只考慮最差的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，無(wú)法做到對(duì)實(shí)時(shí)變化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)；此外，每層協(xié)議的輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和輸出參數(shù)之間并不一定是嚴(yán)格的單調(diào)映射關(guān)系，因此對(duì)某一層協(xié)議棧的優(yōu)化對(duì)于整體通信協(xié)議棧來(lái)說(shuō)有可能是次優(yōu)的。為

3、了克服分層設(shè)計(jì)的這些不足，基于跨層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)理念(簡(jiǎn)稱(chēng)跨層設(shè)計(jì)，Cross-Layer Design(CLD))應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)在不同協(xié)議層之間進(jìn)行信息傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議層間的動(dòng)態(tài)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多協(xié)議層的聯(lián)合優(yōu)化。
　　 無(wú)線頻譜資源：隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，飛速增長(zhǎng)的頻譜資源需求和相對(duì)匱乏的頻譜資源供給之間的矛盾日益加劇。一方面，在傳統(tǒng)的頻譜資源管理機(jī)制下，每一種無(wú)線系統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)都獨(dú)占某一特定的頻段。這就導(dǎo)致寶貴的頻譜資源越分

4、越少，至今可用的頻譜資源基本已經(jīng)分配殆盡。另一方面，已經(jīng)分配的頻譜資源在空間和時(shí)間上利用效率都極不均勻，造成了無(wú)線頻譜資源的極大浪費(fèi)。為了緩解上述矛盾，JosephMitola于1999年首次提出了“認(rèn)知無(wú)線電”(Cognitive Radio，CR)的概念，旨在打破傳統(tǒng)僵化的頻譜資源管理和使用機(jī)制，通過(guò)允許每個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)以認(rèn)知的方式使用分配給其它系統(tǒng)的頻段，來(lái)減少頻譜資源的浪費(fèi)進(jìn)而提高其使用效率。
　　 無(wú)線鏈路連通性：4G無(wú)

5、線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬提出了更高的要求，以支撐各種非實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)的多媒體業(yè)務(wù)和迅速增長(zhǎng)的用戶數(shù)量.然而，就單一無(wú)線鏈路來(lái)說(shuō)現(xiàn)有的信道編碼、調(diào)制、多址接入等通信技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與香農(nóng)極限非常接近的傳輸速率.這就意味著若要進(jìn)一步提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，就必須從其它方向著手進(jìn)一步提高無(wú)線鏈路的信道干擾噪聲比進(jìn)而提高無(wú)線鏈路的連通性。協(xié)作無(wú)線通信技術(shù)允許那些只裝備了單個(gè)收發(fā)天線的移動(dòng)終端互相作為中繼節(jié)點(diǎn)，組成一個(gè)虛擬的多輸入單輸出(VirtualMult

6、iple-Input Single-Output，V-MISO)無(wú)線鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集增益，并可以有效地緩解傳統(tǒng)多天線傳輸技術(shù)對(duì)發(fā)射天線間距的限制。
　　 然而，到目前為止在上述每一方面的理論研究工作仍然都還處于起步階段。此外，任何單一的技術(shù)都不足以解決和應(yīng)對(duì)在實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人通信這-“5A”目標(biāo)過(guò)程中可能出現(xiàn)的所有問(wèn)題和挑戰(zhàn)。因此，我們必須對(duì)上述各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和跨層優(yōu)化?；谶@些考慮，本

7、論文主要針對(duì)認(rèn)知與協(xié)作無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的跨層優(yōu)化理論展開(kāi)研究，旨在為新一代無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行理論分析和評(píng)估并給出可行的通信協(xié)議和算法設(shè)計(jì)。本論文重點(diǎn)研究以下幾方面的內(nèi)容：認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)無(wú)線子網(wǎng)絡(luò)的共存機(jī)制，協(xié)作無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及認(rèn)知與協(xié)作無(wú)線通信系統(tǒng)中的分布式資源管理。在研究方法上，我們以無(wú)線多媒體傳輸為依托，并以效用函數(shù)作為跨層設(shè)計(jì)的橋梁將通信協(xié)議棧底層的物理參數(shù)(如

8、功率、頻譜等)和高層的效用(如用戶滿意度、圖像質(zhì)量等)聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多協(xié)議層的聯(lián)合優(yōu)化。同時(shí)，我們通過(guò)設(shè)計(jì)用戶的效用函數(shù)并運(yùn)用優(yōu)化理論、博弈論以及Variational Inequality(Ⅵ)理論等對(duì)其數(shù)學(xué)性質(zhì)進(jìn)行理論分析，進(jìn)而導(dǎo)出可行的通信協(xié)議和算法設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。本論文的研究工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于認(rèn)知無(wú)線電的中繼與協(xié)同通信研究”(編號(hào)：60832008)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)”(編號(hào)：

9、60672036)的支持.本論文主要有以下幾項(xiàng)貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)：
　　 1.針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中不同子系統(tǒng)之間的共存機(jī)制，提出了一種新穎的基于混合競(jìng)爭(zhēng)合作策略(簡(jiǎn)稱(chēng)競(jìng)合策略)的頻譜分配策略。粗略的說(shuō)，該競(jìng)合策略的核心思想是讓所有的用戶根據(jù)特定的競(jìng)爭(zhēng)準(zhǔn)則進(jìn)行頻譜分配，然后讓那些競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的用戶在達(dá)到其滿意服務(wù)質(zhì)量后退出資源競(jìng)爭(zhēng)，以使得那些非滿意的用戶可以獲得更多的資源。我們以無(wú)線視頻傳輸為依托，以合作博弈論中的“KSBS”競(jìng)爭(zhēng)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)

10、，對(duì)每個(gè)用戶的效用函數(shù)、競(jìng)爭(zhēng)力系數(shù)和競(jìng)合策略分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。進(jìn)而，我們結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中主、次用戶系統(tǒng)間的頻譜分配問(wèn)題對(duì)該競(jìng)合策略的性能進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果證明，同競(jìng)爭(zhēng)策略相比在同一子系統(tǒng)內(nèi)部競(jìng)合策略能夠使更多的用戶達(dá)到滿意的服務(wù)質(zhì)量，而在不同子系統(tǒng)之間運(yùn)用競(jìng)合策略則使得次要用戶系統(tǒng)有更多的機(jī)會(huì)接入主用戶系統(tǒng)的頻段，進(jìn)而使得主、次用戶系統(tǒng)的共存變得更為可能。其次，競(jìng)合策略還有效解決了傳統(tǒng)基于純競(jìng)爭(zhēng)策略的無(wú)線資源管理中各個(gè)用戶權(quán)重系數(shù)難以設(shè)

11、定的困難。本創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第二章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的1，2、3和4。
　　 2.研究了協(xié)作無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中多用戶視頻傳輸?shù)目鐚觾?yōu)化問(wèn)題，其主要目標(biāo)是通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化物理層和MAC層的功率分配策略、中繼選擇策略和應(yīng)用層的視頻編碼碼率來(lái)最大化所有視頻用戶的效用函數(shù)之和。其中，我們用視頻用戶接收端的圖像質(zhì)量(峰值信噪比)來(lái)表示各個(gè)用戶的效用函數(shù)。首先，我們將這一跨層優(yōu)化問(wèn)題建模成為一個(gè)有約束的整數(shù)非凸規(guī)劃問(wèn)題?？紤]到求解該問(wèn)題的難度和復(fù)

12、雜性，我們提出了一種基于分支定界原理和非凸問(wèn)題凸化放松技術(shù)的全局最優(yōu)算法。然后，我們通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)該算法的性能進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，表明我們的算法在實(shí)際中可以通過(guò)有限的迭代次數(shù)以任意精度求得全局最優(yōu)解。此外，結(jié)果還表明，通過(guò)使用中繼節(jié)點(diǎn)可以有效降低用戶間的相互干擾，進(jìn)而提高接收端的圖像質(zhì)量。該全局最優(yōu)算法具有重要的理論研究和應(yīng)用價(jià)值，一方面主要可以用來(lái)對(duì)協(xié)作無(wú)線通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，另一方面可以為同領(lǐng)域研究相同或相似問(wèn)題的分布式算法提供性

13、能比較的依據(jù)。本創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第三章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的5和7。
　　 3.研究了認(rèn)知與協(xié)作無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的分布式無(wú)線資源管理。我們考慮一般性的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括若干個(gè)來(lái)自相同或不同無(wú)線子系統(tǒng)的用戶，他們共享一組無(wú)線頻譜且以認(rèn)知的方式動(dòng)態(tài)接入和使用這些頻譜。對(duì)于每個(gè)用戶來(lái)說(shuō)，所有其他用戶來(lái)都可以被看作是次要用戶(又稱(chēng)認(rèn)知干擾用戶或者Cognitive Jammer)，反之亦然。我們的研究目標(biāo)主要是根據(jù)每個(gè)用戶獲取的局