西安郵電大學(xué)講座-5G中的認(rèn)知無(wú)線電綠色通信

5G中的認(rèn)知無(wú)線電綠色通信2016.11.2715G簡(jiǎn)介2能量效率or頻譜效率3節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法匯報(bào)內(nèi)容4環(huán)境射頻能量收集技術(shù)一、5G簡(jiǎn)介（一）四大關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署大規(guī)模MIMOD2D通信一、5G簡(jiǎn)介（二）五大性能指標(biāo)性能指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)容量提升1000倍頻譜效率提高10倍能量效率提升10倍傳輸速率可達(dá)10GB/s業(yè)務(wù)時(shí)延小于5ms一、5G簡(jiǎn)介（三）認(rèn)知無(wú)線電purposePU授權(quán)頻譜隨時(shí)接入伺機(jī)接入SUSU

認(rèn)知用戶(SU)可以在授權(quán)用戶(PU)閑時(shí)使用授權(quán)頻譜以充分利用頻譜資源。認(rèn)知無(wú)線電一、5G簡(jiǎn)介（三）認(rèn)知無(wú)線電授權(quán)無(wú)線電licensedcellularradio無(wú)線電資源認(rèn)知無(wú)線電cognitiveradio框架5G優(yōu)化系統(tǒng)性能提升能量效率提高頻譜效率二、能量效率or頻譜效率（一）信道容量香農(nóng)公式

只要通信速率低于信道容量C，總可以找到一種編碼方式，使得誤差概率接近于0。最大無(wú)誤傳輸速率遍歷容量下的速率中斷容量下的速率點(diǎn)對(duì)點(diǎn)級(jí)容量系統(tǒng)級(jí)容量蜂窩級(jí)容量框架

給定一個(gè)中斷概率p，中斷容量是信道能以1-p的概率傳輸數(shù)據(jù)（允許最大錯(cuò)誤概率為p）。

容量和可靠性之間的權(quán)衡二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU認(rèn)知中繼源中繼終點(diǎn)帶寬功率P距離r噪聲Z目標(biāo)：1、通過(guò)認(rèn)知中繼提升系統(tǒng)容量；2、找到最優(yōu)的控制參數(shù)，滿足能量效率、頻譜效率以及系統(tǒng)容量的要求。傳輸模型控制參數(shù)：頻帶比：功率比：中繼可用率：二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU認(rèn)知中繼·系統(tǒng)容量資源控制參數(shù)：頻帶比：功率比：中繼可用率：結(jié)論：1、隨著頻帶比和中繼可用率的增加，系統(tǒng)容量增加，但有個(gè)極大值（高效）；2、中繼可用率和頻帶比可以權(quán)衡，但中繼可用率不能太小。二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU資源控制參數(shù)：頻帶比：功率比：中繼可用率：結(jié)論：1、存在一個(gè)頻帶比使頻譜效率達(dá)到最大值（星號(hào)）；2、功率比增大會(huì)增加頻譜效率（容量增大）;認(rèn)知中繼·頻譜效率3、頻譜效率提升的關(guān)鍵在于頻帶比的選擇;4、使用中繼可以提升頻譜效率。二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU資源控制參數(shù)：頻帶比：功率比：中繼可用率：結(jié)論：1、能量效率和系統(tǒng)容量，或頻譜效率和系統(tǒng)容量可以同時(shí)最優(yōu)；2、E區(qū)域是權(quán)衡區(qū)，是最合適的資源選擇區(qū)域。認(rèn)知中繼·權(quán)衡二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU資源控制參數(shù)：頻帶比：功率比：中繼可用率：結(jié)論：1、中繼可用率越大，可達(dá)到的系統(tǒng)容量越大；2、頻帶比越大，可達(dá)到的系統(tǒng)容量越大；認(rèn)知中繼·位置展望源中繼終點(diǎn)帶寬功率P距離r噪聲Z中繼位置：3、功率比越大，可達(dá)到的系統(tǒng)容量越大；4、存在一個(gè)最優(yōu)的中繼位置使得系統(tǒng)容量最大。二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU虛擬陣列天線授權(quán)無(wú)線電認(rèn)知無(wú)線電uplinkMIMO一、活躍用戶發(fā)出需求二、附近非活躍用戶協(xié)助通信通信過(guò)程：本地廣播建立分布式VAA二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU虛擬陣列天線一、活躍用戶需要傳輸信息到基站二、附近非活躍用戶協(xié)助通信通信過(guò)程：本地廣播建立分布式VAA資源控制參數(shù)：頻帶比：活躍用戶本地廣播功率：ρ結(jié)論：1、對(duì)比黑線可以看出，VAA系統(tǒng)可以提升EE和SE（復(fù)用增益）；2、EE和SE可以同時(shí)提升；3、高SE時(shí)功率和頻帶比的增加會(huì)提升EE，低SE時(shí)反之；4、頻帶比應(yīng)適當(dāng)，過(guò)大反而會(huì)降低EE，這也是可優(yōu)化的點(diǎn)。二、能量效率or頻譜效率（三）非協(xié)作框架PU獨(dú)立認(rèn)知基站1、獨(dú)立于宏小區(qū)之外；3、根據(jù)QoS需求選擇使用頻段；2、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署；4、白皮書已經(jīng)出版。使用中斷概率來(lái)衡量系統(tǒng)容量

能量效率和頻譜效率存在一個(gè)權(quán)衡關(guān)系，不可能同時(shí)提升。因此需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行選擇。結(jié)論：二、能量效率or頻譜效率協(xié)作框架非協(xié)作框架框架認(rèn)知中繼虛擬陣列天線獨(dú)立認(rèn)知基站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)級(jí)容量系統(tǒng)級(jí)容量容量蜂窩級(jí)容量結(jié)合優(yōu)化管理參數(shù)三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法目標(biāo)改變優(yōu)化系統(tǒng)性能提升能量效率提高頻譜效率權(quán)衡提高能量效率達(dá)到系統(tǒng)性能優(yōu)化三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法PU（一）協(xié)作頻譜感知多徑衰落和陰影衰落會(huì)導(dǎo)致隱主用戶現(xiàn)象。問(wèn)題1解決方法多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作感知以增強(qiáng)可靠性。部分節(jié)點(diǎn)信噪比低，感知既耗能又不可靠。問(wèn)題2解決方法在達(dá)到總性能指標(biāo)的條件下選擇感知節(jié)點(diǎn)。能量消耗仍舊較大，性能有待優(yōu)化。問(wèn)題3解決方法在感知節(jié)點(diǎn)引入多天線技術(shù)。三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法（二）優(yōu)化方案H1代表PU占用授權(quán)頻譜被，H0代表授權(quán)頻譜空閑；系統(tǒng)模型i是感知節(jié)點(diǎn)編號(hào)，l是感知節(jié)點(diǎn)上的第l根天線，n是時(shí)間；yi,l[n]是第i個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的第l根天線在n時(shí)刻的接收信號(hào)，x是PU發(fā)送信號(hào)；感知步驟1、每根天線分別使用能量算法進(jìn)行感知；2、每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)選擇判決準(zhǔn)則融合本節(jié)點(diǎn)上所有天線的結(jié)果，得到本地判決結(jié)果；3、FC接收節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的結(jié)果使用OR準(zhǔn)則進(jìn)行最終融合判決，判斷頻譜使用狀態(tài)。h是信道衰落（自由空間路徑損耗、大尺度衰落、瑞利衰落）。能量損耗模型Etot代表總能耗，M代表感知節(jié)點(diǎn)總數(shù)，L代表每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)，ρi∈(0,1)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，Esi,l代表第i個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的第l根天線感知數(shù)據(jù)以及判決所消耗的能量，Eti代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)可靠傳送1bit數(shù)據(jù)到FC所耗費(fèi)的能量（隨節(jié)點(diǎn)到FC的距離、也就是節(jié)點(diǎn)分布密度情況變化）。三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法（二）優(yōu)化方案系統(tǒng)模型能量損耗模型Etot代表總能耗，M代表感知節(jié)點(diǎn)總數(shù)，L代表每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)，ρi∈(0,1)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，Esi,l代表第i個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的第l根天線感知數(shù)據(jù)以及判決所消耗的能量，Eti代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)可靠傳送1bit數(shù)據(jù)到FC所耗費(fèi)的能量（隨節(jié)點(diǎn)到FC的距離變化）。優(yōu)化模型（可能無(wú)解）Pdi代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)概率，Pfi代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的虛警概率。在系統(tǒng)的檢測(cè)概率和虛警概率的約束下選擇節(jié)點(diǎn)以降低功耗。（三）性能仿真PU結(jié)論：1、隨著可選感知節(jié)點(diǎn)數(shù)M的增加，能量消耗會(huì)減??；2、隨著感知節(jié)點(diǎn)天線數(shù)L的增加，能量消耗會(huì)減小，但存在一個(gè)最優(yōu)值。算法效果三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法橫坐標(biāo)代表可選擇的感知節(jié)點(diǎn)總數(shù)M縱坐標(biāo)代表系統(tǒng)的總能耗，即Etot（三）性能仿真PU結(jié)論：1、隨著可選感知節(jié)點(diǎn)數(shù)M的增加，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)概率增大；2、隨著感知節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)L的增加，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)概率增大。實(shí)用性三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法橫坐標(biāo)代表可選擇的感知節(jié)點(diǎn)總數(shù)M縱坐標(biāo)代表優(yōu)化方案可實(shí)現(xiàn)的概率三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法優(yōu)化系統(tǒng)性能提升能量效率提高頻譜效率權(quán)衡提高能量效率達(dá)到系