認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)頻譜感知與資源分配研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)頻譜資源的需求日益增加。傳統(tǒng)的固定頻譜分配策略能夠避免系統(tǒng)之間的干擾，但對(duì)頻譜資源的占用具有不完全性，極易造成頻譜資源的浪費(fèi)。認(rèn)知無線電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無線頻譜資源的共享和利用，解決了頻譜資源匱乏以及頻譜資源利用不足之間的矛盾。另一方面，協(xié)作中繼技術(shù)利用分集增益，能夠有效提高無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量、傳輸可靠性以及增加覆蓋率。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)是在認(rèn)知無線電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種具有認(rèn)知能力的網(wǎng)絡(luò)，通過引入?yún)f(xié)作中繼技

2、術(shù)，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠獲得更好的系統(tǒng)性能和更高的頻譜利用率，因此，面向協(xié)作中繼的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)——認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，已成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于與授權(quán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共享頻譜資源，認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)首先需要進(jìn)行頻譜感知發(fā)現(xiàn)可用的頻譜資源，然后，根據(jù)頻譜感知的結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整自身參數(shù)，確定最佳的資源分配方案進(jìn)行頻譜接入。
　　本論文圍繞認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的協(xié)作頻譜感知和聯(lián)合資源分配問題展開研究，以協(xié)作中繼作為主要技術(shù)手段，重點(diǎn)解決了認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中

3、兩個(gè)基本問題：1）研究精確可靠的頻譜感知算法，為認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供盡可能多的可靠頻譜接入機(jī)會(huì)；2）研究高效的聯(lián)合資源分配算法，以便認(rèn)知用戶能夠合理利用有限資源，從而提高接入頻譜的利用效率，增加認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量。論文主要?jiǎng)?chuàng)新性貢獻(xiàn)包括：
　　首先，為了克服信道衰落對(duì)頻譜感知性能的不利影響，論文提出了兩種基于虛擬MIMO技術(shù)的帶外控制信道協(xié)作頻譜感知算法，所提算法提高了協(xié)作頻譜感知的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?yàn)檎J(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)提供更多可

4、靠的頻譜接入機(jī)會(huì)。1）提出了一種基于高效空時(shí)編碼的協(xié)作頻譜感知算法，算法利用高效空時(shí)編碼和協(xié)作中繼技術(shù)增加系統(tǒng)分集增益，能夠降低感知信號(hào)傳輸誤碼率，有效提升協(xié)作頻譜感知的性能；2）考慮到協(xié)作認(rèn)知用戶的動(dòng)態(tài)變化和認(rèn)知用戶感知可靠性之間的差異，提出了一種基于隨機(jī)空時(shí)編碼的加權(quán)協(xié)作頻譜感知算法，算法采用隨機(jī)空時(shí)編碼克服信道衰落對(duì)感知性能造成的影響，利用感知可靠性加權(quán)融合準(zhǔn)則增強(qiáng)高可靠性感知信號(hào)的判決權(quán)重，在提高協(xié)作頻譜感知性能的同時(shí)能夠適應(yīng)認(rèn)

5、知用戶數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化。
　　其次，為了克服帶外控制信道協(xié)作頻譜感知對(duì)信道資源的額外需求，論文提出了一種基于選擇中繼的帶內(nèi)控制信道協(xié)作頻譜感知算法，在保證協(xié)作頻譜感知性能的同時(shí)能夠有效節(jié)約信道資源，提高授權(quán)頻譜利用率以及減小信道管理復(fù)雜度。該算法采用了一種基于選擇中繼的信號(hào)傳輸機(jī)制避免初始感知結(jié)果上報(bào)過程中可能對(duì)授權(quán)用戶造成的干擾，利用感知可靠性加權(quán)融合準(zhǔn)則區(qū)分不同認(rèn)知用戶的感知可靠性，提高協(xié)作頻譜感知的性能。同時(shí)，算法給出了最優(yōu)能

6、量感知門限選擇機(jī)制，保證授權(quán)用戶通信QoS的同時(shí)最大限度利用授權(quán)頻譜資源。所提算法通過聯(lián)合考慮感知和報(bào)告兩個(gè)階段，研究了感知開銷對(duì)協(xié)作頻譜感知性能的影響，分析表明，對(duì)于預(yù)設(shè)目標(biāo)檢測(cè)概率而言，存在唯一的感知開銷使得頻譜感知的虛警概率最小。
　　然后，在協(xié)作頻譜感知基礎(chǔ)之上，為了充分利用頻譜接入機(jī)會(huì)，針對(duì)多約束環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的影響，論文研究了AF-OFDM認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合資源分配問題，提出了三種聯(lián)合子載波匹配、功率分配和最佳

7、中繼選擇的資源分配算法，以提高頻譜資源的利用效率，提升認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量。1）提出了一種基于對(duì)偶理論的分布式資源分配算法以獲取聯(lián)合資源分配問題的近似最優(yōu)解；2）提出了一種快速聯(lián)合資源分配算法，這種算法具有很低的計(jì)算復(fù)雜度，比較適合硬件條件有限、性能要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景；3）為了平衡算法性能和復(fù)雜度之間的沖突，提出了一種兩階段高效聯(lián)合資源分配算法，這種算法解決了對(duì)偶算法和快速算法的缺點(diǎn)，在獲得穩(wěn)定且較低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)，算法性能接近于近

8、似最優(yōu)解。
　　最后，考慮到中繼協(xié)議的差異，論文研究了DF-OFDM認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合資源分配問題，提出了兩種聯(lián)合資源分配算法以適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量。1）考慮到算法計(jì)算復(fù)雜度在應(yīng)用中可能對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶來的不利影響，以獲取較低的計(jì)算復(fù)雜度為目標(biāo)，提出了一種快速聯(lián)合資源分配算法，快速算法能夠在不對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重衰減的前提下，大大降低算法計(jì)算復(fù)雜度；2）由于快速算法以追求計(jì)算復(fù)雜度最小為目標(biāo)，次優(yōu)的功率分配機(jī)制以及