認(rèn)知無線電系統(tǒng)中接入控制與頻譜共享技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，各種海量新應(yīng)用開始涌現(xiàn)，頻譜資源凸顯短缺，可供分配的頻譜也越來越少。但研究表明，當(dāng)前基于授權(quán)分配的頻譜中，很多頻段利用率較低。認(rèn)知無線電技術(shù)可通過動(dòng)態(tài)頻譜訪問方式提高頻譜利用率，進(jìn)而為認(rèn)知用戶提供高速、可靠的服務(wù)。然而由于認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的不對(duì)等，其通信過程既不能干擾到授權(quán)用戶，又要盡可能避免來自授權(quán)用戶的干擾，這就需要對(duì)認(rèn)知系統(tǒng)中各個(gè)用戶進(jìn)行接入控制和功率控制，以期實(shí)現(xiàn)高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸。此外，如何高效的利

2、用頻譜資源，對(duì)授權(quán)用戶的共享頻譜資源進(jìn)行最優(yōu)分配，也是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的核心問題。本文重點(diǎn)研究了認(rèn)知無線系統(tǒng)中的接入控制與頻譜共享問題，以完善認(rèn)知無線電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻譜訪問理論。
　　本文的主要工作與創(chuàng)新如下:
　　(1)提出了OFDM傳輸模式下認(rèn)知無線電用戶的發(fā)送許可與功率控制算法針對(duì)OFDM系統(tǒng)中由于認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的發(fā)送信號(hào)非正交而會(huì)對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾的問題，研究了在保證對(duì)授權(quán)用戶干擾低于指定閾值并滿足認(rèn)知用戶信噪比條

3、件下的從用戶發(fā)送許可問題。首先證明了發(fā)送許可問題在約束條件下是一個(gè)NP-hard問題，并利用認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶干擾分布的特點(diǎn)，提出了一個(gè)次優(yōu)的認(rèn)知用戶發(fā)送許可求解算法。然后在此結(jié)果上，進(jìn)一步研究了認(rèn)知用戶的功率優(yōu)化問題，以便最大化允許發(fā)送的認(rèn)知用戶的發(fā)送速率。最后基于拉格朗日對(duì)偶理論，提出了一個(gè)復(fù)雜度較低的關(guān)于認(rèn)知用戶發(fā)送功率的迭代求解算法。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的認(rèn)知用戶發(fā)送速率提高了約30％。
　　(2)研究了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的接

4、入?yún)?shù)優(yōu)化問題首先研究了基于貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)干擾模型的接入?yún)?shù)優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)虛警概率、誤檢概率的容忍度，將其加權(quán)定義成貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)，建立了貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)與干擾率、發(fā)送時(shí)間的關(guān)系模型，并在此基礎(chǔ)上，研究了在指定貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)值、滿足對(duì)授權(quán)用戶的干擾約束時(shí)，單用戶感知模式下判決門限、感知時(shí)間和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間的聯(lián)合優(yōu)化問題，及多用戶合作感知模式下基于紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則的感知時(shí)間和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。仿真結(jié)果表明，同已有算法相比，由于接入?yún)?shù)的優(yōu)化，即使

5、貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，本文算法也能取得更優(yōu)的吞吐量。其次從增大認(rèn)知用戶訪問時(shí)間的角度，研究了干擾及接入機(jī)會(huì)丟失受限時(shí)的幀長設(shè)計(jì)問題。當(dāng)虛警發(fā)生或正確檢測到授權(quán)用戶占用信道但在發(fā)送時(shí)間內(nèi)主用戶離開，然而此時(shí)認(rèn)知用戶因沒有接入信道，會(huì)導(dǎo)致從用戶接入機(jī)會(huì)丟失。而誤檢或正確感知到信道空閑，但授權(quán)用戶接入時(shí)則會(huì)產(chǎn)生干擾?；谑跈?quán)用戶對(duì)信道的占用/空閑服從負(fù)指數(shù)分布的假設(shè)，推導(dǎo)了幀內(nèi)干擾時(shí)間和丟失時(shí)間小于指定比例幀長時(shí)的干擾概率、接入機(jī)會(huì)丟失概率模型，

6、并基于該模型，提出了一個(gè)具有較高認(rèn)知用戶接入時(shí)間的幀長設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于該方案的幀長設(shè)計(jì)能有效的保證從用戶的接入時(shí)間、感知效率和較低的干擾率。
　　(3)提出了認(rèn)知無線電系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間的確定算法基于授權(quán)用戶對(duì)信道的占用/空閑時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布的假設(shè)，推導(dǎo)了授權(quán)用戶在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間內(nèi)可以出現(xiàn)任意次數(shù)時(shí)，干擾時(shí)間關(guān)于數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間的函數(shù)模型，并據(jù)此提出了一個(gè)干擾率受限的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間設(shè)置方案。根據(jù)該方案設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間

7、，能較精確地控制授權(quán)用戶所受的干擾率。進(jìn)一步的仿真實(shí)驗(yàn)表明干擾率的實(shí)驗(yàn)值與本文干擾模型的理論值非常接近，充分驗(yàn)證了提出的干擾模型的精確性。
　　(4)提出了基于頻譜市場的空閑頻譜共享定價(jià)算法基于頻譜市場的頻譜共享方案中，定價(jià)是一個(gè)難題。針對(duì)多個(gè)授權(quán)用戶的空閑頻譜最優(yōu)定價(jià)問題，在競爭模型下，基于非合作博弈論提出了競爭價(jià)格模型求解算法，并證明了該算法收斂到唯一的納什均衡;在合作模型下，通過求解原問題的對(duì)偶問題，提出了合作價(jià)格模型求解算