西安郵電大學講座-5G中的認知無線電綠色通信

5G中的認知無線電綠色通信2016.11.2715G簡介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內容4環(huán)境射頻能量收集技術一、5G簡介（一）四大關鍵技術關鍵技術超密集異構網(wǎng)絡部署大規(guī)模MIMOD2D通信一、5G簡介（二）五大性能指標性能指標網(wǎng)絡容量提升1000倍頻譜效率提高10倍能量效率提升10倍傳輸速率可達10GB/s業(yè)務時延小于5ms一、5G簡介（三）認知無線電purposePU授權頻譜隨時接入伺機接入SUSU

認知用戶(SU)可以在授權用戶(PU)閑時使用授權頻譜以充分利用頻譜資源。認知無線電一、5G簡介（三）認知無線電授權無線電licensedcellularradio無線電資源認知無線電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。最大無誤傳輸速率遍歷容量下的速率中斷容量下的速率點對點級容量系統(tǒng)級容量蜂窩級容量框架

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

容量和可靠性之間的權衡二、能量效率or頻譜效率（二）協(xié)作框架PU認知中繼源中繼終點帶寬功率P距離r噪聲Z目標：1、通過認知中繼提升系統(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，但有個極大值（高效）；2、中繼可用率和頻帶比可以權衡，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：結論：1、存在一個頻帶比使頻譜效率達到最大值（星號）；2、功率比增大會增加頻譜效率（容量增大）;認知中繼·頻譜效率3、頻譜效率提升的關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)容量可以同時最優(yōu)；2、E區(qū)域是權衡區(qū)，是最合適的資源選擇區(qū)域。認知中繼·權衡二、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：結論：1、中繼可用率越大，可達到的系統(tǒng)容量越大；2、頻帶比越大，可達到的系統(tǒng)容量越大；認知中繼·位置展望源中繼終點帶寬功率P距離r噪聲Z中繼位置：3、功率比越大，可達到的系統(tǒng)容量越大；4、存在一個最優(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虛擬陣列天線授權無線電認知無線電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結論：1、對比黑線可以看出，VAA系統(tǒng)可以提升EE和SE（復用增益）；2、EE和SE可以同時提升；3、高SE時功率和頻帶比的增加會提升EE，低SE時反之；4、頻帶比應適當，過大反而會降低EE，這也是可優(yōu)化的點。二、能量效率or頻譜效率（三）非協(xié)作框架PU獨立認知基站1、獨立于宏小區(qū)之外；3、根據(jù)QoS需求選擇使用頻段；2、超密集異構網(wǎng)絡部署；4、白皮書已經(jīng)出版。使用中斷概率來衡量系統(tǒng)容量

能量效率和頻譜效率存在一個權衡關系，不可能同時提升。因此需要根據(jù)具體應用場景來進行選擇。結論：二、能量效率or頻譜效率協(xié)作框架非協(xié)作框架框架認知中繼虛擬陣列天線獨立認知基站點對點級容量系統(tǒng)級容量容量蜂窩級容量結合優(yōu)化管理參數(shù)三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法目標改變優(yōu)化系統(tǒng)性能提升能量效率提高頻譜效率權衡提高能量效率達到系統(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導致隱主用戶現(xiàn)象。問題1解決方法多個感知節(jié)點進行協(xié)作感知以增強可靠性。部分節(jié)點信噪比低，感知既耗能又不可靠。問題2解決方法在達到總性能指標的條件下選擇感知節(jié)點。能量消耗仍舊較大，性能有待優(yōu)化。問題3解決方法在感知節(jié)點引入多天線技術。三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法（二）優(yōu)化方案H1代表PU占用授權頻譜被，H0代表授權頻譜空閑；系統(tǒng)模型i是感知節(jié)點編號，l是感知節(jié)點上的第l根天線，n是時間；yi,l[n]是第i個感知節(jié)點的第l根天線在n時刻的接收信號，x是PU發(fā)送信號；感知步驟1、每根天線分別使用能量算法進行感知；2、每個感知節(jié)點選擇判決準則融合本節(jié)點上所有天線的結果，得到本地判決結果；3、FC接收節(jié)點傳來的結果使用OR準則進行最終融合判決，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)點總數(shù)，L代表每個感知節(jié)點的天線數(shù)，ρi∈(0,1)代表第i個節(jié)點的工作狀態(tài)，Esi,l代表第i個感知節(jié)點的第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個節(jié)點可靠傳送1bit數(shù)據(jù)到FC所耗費的能量（隨節(jié)點到FC的距離、也就是節(jié)點分布密度情況變化）。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)點總數(shù)，L代表每個感知節(jié)點的天線數(shù)，ρi∈(0,1)代表第i個節(jié)點的工作狀態(tài)，Esi,l代表第i個感知節(jié)點的第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個節(jié)點可靠傳送1bit數(shù)據(jù)到FC所耗費的能量（隨節(jié)點到FC的距離變化）。優(yōu)化模型（可能無解）Pdi代表第i個節(jié)點的檢測概率，Pfi代表第i個節(jié)點的虛警概率。在系統(tǒng)的檢測概率和虛警概率的約束下選擇節(jié)點以降低功耗。（三）性能仿真PU結論：1、隨著可選感知節(jié)點數(shù)M的增加，能量消耗會減?。?、隨著感知節(jié)點天線數(shù)L的增加，能量消耗會減小，但存在一個最優(yōu)值。算法效果三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法橫坐標代表可選擇的感知節(jié)點總數(shù)M縱坐標代表系統(tǒng)的總能耗，即Etot（三）性能仿真PU結論：1、隨著可選感知節(jié)點數(shù)M的增加，系統(tǒng)實現(xiàn)概率增大；2、隨著感知節(jié)點的天線數(shù)L的增加，系統(tǒng)實現(xiàn)概率增大。實用性三、節(jié)能協(xié)作頻譜感知算法橫坐標代表可選擇的感知節(jié)點總數(shù)M縱坐標代表優(yōu)化方案可實現(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衡提高能量效率達到系