協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同策略及資源分配技術(shù)研究.pdf

1、隨著通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源日益緊張，認(rèn)知無線電技術(shù)是一種提高頻譜利用效率的有效方法。認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)和頻譜共享技術(shù)已經(jīng)得到了很深入的研究，未來的應(yīng)用必將影響通信技術(shù)的發(fā)展。協(xié)同通信技術(shù)能大大提高通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，改善通信質(zhì)量。將協(xié)同通信技術(shù)引入認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是一種嶄新的研究思路，兩者的結(jié)合會(huì)進(jìn)一步提升頻譜使用效率，勢(shì)必帶來頻譜資源管理的新問題和新方法。本文以協(xié)同認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（Cooperative Cognitive Ra

2、dio Networks， C-CRN)為背景，研究了基于協(xié)同通信技術(shù)的頻譜租借和認(rèn)知無線頻譜資源分配算法。論文主要研究工作如下：
　　首先，在單主用戶單認(rèn)知用戶1C-CRN中，基于傳統(tǒng)解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF)協(xié)同傳輸策略構(gòu)建了2種新的認(rèn)知協(xié)同中繼模型；其中，認(rèn)知用戶的目標(biāo)是最大化自身傳輸速率，同時(shí)不影響主用戶的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS),即保證主用戶的傳輸速率。該模型引入了主用戶和認(rèn)知用戶之間的協(xié)作，其中

3、認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)可以作為主用戶的中繼節(jié)點(diǎn)，幫助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，作為回報(bào)，認(rèn)知用戶可以獲得主用戶頻譜的使用權(quán)。論文詳細(xì)推導(dǎo)給出了主用戶和認(rèn)知用戶的協(xié)同條件，給出了最佳頻譜資源分配算法，并通過仿真，比較了兩種模型的性能。同時(shí)，在單主用戶多認(rèn)知用戶C-CRN中，提出了一種基于D F策略的3段時(shí)隙劃分的多中繼擇機(jī)協(xié)同協(xié)議，多個(gè)認(rèn)知用戶競(jìng)爭接入主用戶的授權(quán)信道，論文分析了認(rèn)知系統(tǒng)的中斷性能，并提出了一種能最大化認(rèn)知用戶傳輸速率的最佳中繼選擇策略。<

4、br>　　其次，針對(duì)頻譜拍賣市場(chǎng)，開展協(xié)同頻譜租借（Cooperative Spectrum Leasing, CSL)研究。論文在考慮實(shí)際通信系統(tǒng)中，主用戶具有自私性，認(rèn)知用戶需要向主用戶付出一定的代價(jià)，才可能獲取頻譜使用權(quán)。論文首先建立了單個(gè)主用戶和單個(gè)認(rèn)知用戶之間頻譜租借和協(xié)同通信模型，提出了一種協(xié)同頻譜租借算法。采用Stackelberg博弈，經(jīng)過詳細(xì)推導(dǎo)，給出了最優(yōu)頻譜租借定價(jià)和最佳資源分配算法。進(jìn)而，論文研究了多主用戶多認(rèn)知

5、用戶C-CRN中的頻譜租借和資源分配問題，將復(fù)雜的資源分配最優(yōu)化問題分解為兩個(gè)耦合的子問題，依據(jù)單主用戶和單認(rèn)知用戶的研究成果，采用匈牙利算法（HungarianMethod)解決了最佳中繼選擇和最優(yōu)頻譜租借問題。該模型能有效的保證主用戶的通信質(zhì)量，并且給主用戶帶來巨大收益，同時(shí)認(rèn)知用戶也獲得了頻譜使用機(jī)會(huì)。
　　再者，針對(duì)單主用戶多認(rèn)知用戶C-CRN，論文提出了一種基于空時(shí)碼的協(xié)同中繼認(rèn)知傳輸模型，分別給出了主用戶和認(rèn)知用戶的效

6、能函數(shù)，主用戶的效能主要~1論文中對(duì)認(rèn)知用戶和次用戶不做區(qū)分，后面會(huì)交替出現(xiàn)。來自自身能量節(jié)省以及租借給認(rèn)知用戶頻譜獲得的收益；而認(rèn)知用戶的效能與自身的傳輸速率成正比。在保證主用戶數(shù)據(jù)率條件下，考慮認(rèn)知用戶的公平性，分配給認(rèn)知用戶的頻譜與認(rèn)知用戶協(xié)助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的貢獻(xiàn)相關(guān)。然后，通過Stackelberg博弈論對(duì)該傳輸模型進(jìn)行了分析，證明了其存在唯一的納什均衡，給出了認(rèn)知用戶的支付報(bào)酬策略。以最大化主用戶效能為目標(biāo)，提出了一個(gè)次優(yōu)的

7、低復(fù)雜度協(xié)同中繼選擇策略，通過仿真證明了該策略的可行性與有效性。
　　最后，論文針對(duì)多主用戶多認(rèn)知用戶的基于OFDM的C-CRN中的兩類資源分配問題進(jìn)行了深入研究：認(rèn)知用戶之間存在協(xié)作時(shí)的C-CRN的資源分配，以及主用戶和認(rèn)知用戶之間存在協(xié)作時(shí)的C-CRN資源分配。資源分配主要圍繞子載波分配，中繼選擇和功率控制展開。針對(duì)第一種C-CRN，論文先提出了一種基于AF的雙向中繼策略，以最大化認(rèn)知用戶發(fā)射對(duì)的總的傳輸速率為目標(biāo)，同時(shí)不對(duì)主

8、用戶造成過度干擾，推導(dǎo)給出了一種次優(yōu)的功率調(diào)整和子載波分配算法。然后，研究了在一個(gè)一般化的多用戶共存的OFDM系統(tǒng)中的資源分配問題，認(rèn)知用戶采用協(xié)同中繼策略接入主用戶的頻譜資源而不對(duì)主用戶造成過多的干擾。通過將主用戶對(duì)認(rèn)知用戶產(chǎn)生的干擾當(dāng)做背景噪聲，將3節(jié)點(diǎn)的解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同模型轉(zhuǎn)換為一個(gè)2節(jié)點(diǎn)的直傳鏈路，并得到源到目的等效信道增益。在得到等效信道增益后，由此可知系統(tǒng)中每增加1比特?cái)?shù)據(jù)速率需要的功率消耗，以及會(huì)對(duì)接入信道的特定主用戶的產(chǎn)生的

9、干擾，考慮主用戶的干擾門限和系統(tǒng)的總功率消耗，定義了效率空間去表征認(rèn)知用戶之間信道條件的優(yōu)劣，并將子載波分配給具有最好信道條件的認(rèn)知用戶。據(jù)此，在保證對(duì)主用戶的干擾不超過其干擾門限值的前提下，為了最大化認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，文中提出了一種低復(fù)雜度的聯(lián)合中繼選擇和子載波分配，以及功率分配算法。仿真結(jié)果表明，提出的算法相對(duì)于純協(xié)同算法、最小功率算法和最小干擾算法具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。針對(duì)第二種C-CRN，論文構(gòu)建了多用戶OFDM系統(tǒng)中一種新

10、的主用戶和認(rèn)知用戶協(xié)作模型，認(rèn)知用戶在保證主用戶QoS的情況下，作為主用戶的中繼節(jié)點(diǎn)，幫助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，作為回報(bào)，認(rèn)知用戶可以在時(shí)間和頻率空間上接入主用戶的頻譜。認(rèn)知用戶在整個(gè)協(xié)同通信過程中，并不會(huì)影響主用戶的信息傳輸，并且主用戶網(wǎng)絡(luò)不需要針對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)做出發(fā)射功率和子載波分配上的調(diào)整，即該算法對(duì)主用戶網(wǎng)絡(luò)本身的構(gòu)架運(yùn)行影響很小。文章分析推導(dǎo)了認(rèn)知用戶速率最優(yōu)化問題，將其分解為功率分配和中繼選擇兩個(gè)子問題，并分別采用迭代注水算法和匈牙利