基于OFDMA的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源分配與干擾抑制研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信設(shè)備和各種應(yīng)用的急劇增長(zhǎng)，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)逐漸成為了一種有效改善頻譜利用率的技術(shù)。由于可以在所有認(rèn)知用戶(hù)間靈活分配資源，以及具有在沒(méi)有額外開(kāi)銷(xiāo)的前提下監(jiān)聽(tīng)頻譜上主用戶(hù)活動(dòng)的能力，正交頻分多址(Orthogonalfrequencydivisionmultipleaccess，OFDMA)技術(shù)（也被稱(chēng)為多用戶(hù)OFDM技術(shù)）被認(rèn)為是適合認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的有效備選技術(shù)。
　　 而在基于OFDMA的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，認(rèn)知用戶(hù)與主

2、用戶(hù)的信號(hào)并存于無(wú)線電頻譜中并且可能使用不同的接入技術(shù)，二者信號(hào)的非正交性以及二者之間的頻譜共享都會(huì)導(dǎo)致相互干擾。作為影響認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)性能的一個(gè)因素，干擾（尤其是認(rèn)知用戶(hù)對(duì)主用戶(hù)的干擾）應(yīng)該被限制在一個(gè)門(mén)限值以下。除此以外，接入主用戶(hù)未占用頻譜空穴的認(rèn)知用戶(hù)的不同類(lèi)型QoS（QualityofService，服務(wù)質(zhì)量）需求也應(yīng)得到保障。資源分配是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中抑制對(duì)主用戶(hù)干擾，同時(shí)保證認(rèn)知用戶(hù)QoS的有效手段。據(jù)此，本博士論文構(gòu)建了

3、幾個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，研究了基于OFDMA的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的資源分配和干擾抑制問(wèn)題。
　　 本文的主要研究工作和成果如下:
　　 1.研究了限制認(rèn)知用戶(hù)對(duì)主用戶(hù)干擾在一定門(mén)限值以下，同時(shí)保證認(rèn)知用戶(hù)最低傳輸速率限制的資源分配問(wèn)題。首先，針對(duì)一個(gè)單主用戶(hù)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)提出了一個(gè)次優(yōu)的資源分配算法，該算法旨在最大化所有認(rèn)知用戶(hù)的和速率;其次，本文把單主用戶(hù)情況推廣到更一般的多主用戶(hù)系統(tǒng)，運(yùn)用對(duì)偶數(shù)方法提出了一種近似最優(yōu)的資源分配算法

4、，該算法同時(shí)考慮了對(duì)主用戶(hù)的干擾門(mén)限和所有認(rèn)知用戶(hù)的總傳輸功率限制。分析與仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)資源分配算法相比，本文提出的算法可以取得更高的傳輸速率并且保證每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的最低傳輸速率。
　　 2.對(duì)于考慮干擾抑制的基于OFDMA的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，研究了保證認(rèn)知用戶(hù)統(tǒng)計(jì)比例速率的資源分配問(wèn)題。在認(rèn)知系統(tǒng)中，保證比例公平性的資源分配算法通常面臨兩個(gè)挑戰(zhàn):第一，主用戶(hù)的即時(shí)信道增益在認(rèn)知用戶(hù)傳輸端很難獲取;其次，在某些OFDM符號(hào)周期

5、中，可用的子信道數(shù)目小于認(rèn)知用戶(hù)的數(shù)目。本文以最大化所有認(rèn)知用戶(hù)各態(tài)歷經(jīng)和容量為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一個(gè)考慮長(zhǎng)期認(rèn)知用戶(hù)傳輸功率限制，長(zhǎng)期主用戶(hù)干擾門(mén)限限制，以及所有認(rèn)知用戶(hù)統(tǒng)計(jì)比例公平性的資源分配算法。研究表明，與傳統(tǒng)的資源分配算法相比，提出的算法可以取得更高的和速率并且保證認(rèn)知用戶(hù)的比例速率。
　　 3.研究了混合接入認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中保證比例公平性的資源分配問(wèn)題。在基于OFDMA的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的資源分配算法無(wú)法保證在每

6、個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)所有認(rèn)知用戶(hù)的比例速率。這是因?yàn)樵谀承㎡FDM符號(hào)周期內(nèi)，可用的子信道數(shù)目可能小于認(rèn)知用戶(hù)數(shù)量。為了應(yīng)對(duì)這種可用頻譜資源的時(shí)變性，本文采用了一種混合認(rèn)知無(wú)線電接入方案，該系統(tǒng)允許認(rèn)知用戶(hù)在使用頻譜空穴子信道的同時(shí)使用主用戶(hù)頻段中的子信道。基于這一混合接入系統(tǒng)，本文提出了一種資源分配算法以保證認(rèn)知用戶(hù)的比例速率并且抑制認(rèn)知用戶(hù)對(duì)主用戶(hù)的過(guò)度干擾。
　　 4.頻譜監(jiān)聽(tīng)是認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中決定可用頻譜的關(guān)鍵技術(shù)。本文

7、還研究了在多信道認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，如何聯(lián)合優(yōu)化監(jiān)聽(tīng)時(shí)間和資源分配以最大化所有認(rèn)知用戶(hù)和速率的問(wèn)題。通過(guò)考慮總傳輸功率和保護(hù)主用戶(hù)免受過(guò)度干擾的干擾限制條件，以及頻譜監(jiān)聽(tīng)目標(biāo)檢測(cè)概率和虛警概率，本文提出了一種近似最優(yōu)的資源分配算法。一般而言，最優(yōu)的監(jiān)聽(tīng)時(shí)間可以通過(guò)傳統(tǒng)的一維窮舉搜索獲得。然而，由于該搜索方法的復(fù)雜度很高，本文接著提出了一種目標(biāo)虛警概率很低情況下的簡(jiǎn)化算法以獲取最優(yōu)的監(jiān)聽(tīng)時(shí)間。研究表明，在嚴(yán)格的虛警概率限制條件下，本文提出的

8、簡(jiǎn)化算法可以有效地獲取最優(yōu)的監(jiān)聽(tīng)時(shí)間。
　　 5.在家庭小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中，openaccess（公開(kāi)接入）是一種降低跨層干擾的有效方法。本文最后部分研究了在采用openaccess模式的OFDMA家庭小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中，保證處于DeadZone（死區(qū)）的相鄰宏用戶(hù)QoS并且限制家庭小區(qū)對(duì)其他宏用戶(hù)跨層干擾的資源分配問(wèn)題，提出了一種可以同時(shí)改善相鄰宏用戶(hù)和家庭小區(qū)用戶(hù)的資源分配算法。具體而言，最初由宏基站分配給相鄰宏用戶(hù)的子信道集可能會(huì)與FAP

9、（femtocellaccesspoint，家庭小區(qū)接入點(diǎn)）占用的子信道集重疊，而重疊的部分會(huì)產(chǎn)生跨層干擾。在相鄰宏用戶(hù)接入后，重疊部分的子信道會(huì)被釋放并且只供家庭小區(qū)專(zhuān)用。之后，家庭小區(qū)中子信道和功率資源在家庭小區(qū)用戶(hù)和接入的相鄰宏用戶(hù)間重新分配。通過(guò)在家庭小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中引入認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)并且運(yùn)用對(duì)偶數(shù)方法，本文提出一種近似最優(yōu)的資源分配算法。研究表明，在openaccess模式下，提出的算法可以取得比closedaccess（封閉接入）