認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作傳輸技術(shù)研究.pdf

1、在當(dāng)前的頻譜管理機(jī)制中，大部分頻段已經(jīng)固定地分配給了主用戶（PU， Primary User，也叫授權(quán)用戶），而只留有小部分頻段給次級(jí)用戶（SU，Secondary User，也叫非授權(quán)用戶）使用。然而，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及無(wú)線業(yè)務(wù)量的快速增長(zhǎng)，有限的頻譜資源已漸漸無(wú)法滿足各種無(wú)線通信系統(tǒng)的需求。事實(shí)上，造成頻譜資源稀缺的最主要原因是由當(dāng)前固定頻譜分配機(jī)制所引起的低頻譜利用率。為了提高無(wú)線頻譜資源的利用率，認(rèn)知無(wú)線電（CR，Cog

2、nitive Radio）技術(shù)被提出，并在過(guò)去的十幾年里得到了飛速發(fā)展。
　　認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的基本思想是，在不對(duì)主用戶引入有害干擾的情況下，允許次級(jí)用戶使用授權(quán)頻段來(lái)傳輸自身數(shù)據(jù)。在該過(guò)程中，認(rèn)知無(wú)線電需要解決兩個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題：頻譜感知（SS，Spectrum Sensing）和頻譜接入（SA，Spectrum Access）。一般地，在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（CRN，CR Network）中，次級(jí)用戶在傳輸自身數(shù)據(jù)前，必須先進(jìn)行頻譜感知來(lái)

3、搜尋周圍可使用的授權(quán)頻譜，包括空閑頻段和干擾受控頻段。然后，次級(jí)用戶根據(jù)感知結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)傳輸參數(shù)，并確定最佳的傳輸方式進(jìn)行頻譜接入。受多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)頻譜感知和頻譜接入技術(shù)的性能會(huì)大大降低。為解決這一難題，協(xié)作傳輸技術(shù)被引入到認(rèn)知無(wú)線電中，并成為當(dāng)今通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　然而，如何將協(xié)作傳輸（CT，Cooperative Transmission）技術(shù)有機(jī)地融合到頻譜感知和頻譜接入中，還有許多問(wèn)題亟待解決，其

4、中最基本的四個(gè)問(wèn)題為：協(xié)作感知開(kāi)銷（包括感知延遲、匯報(bào)數(shù)據(jù)量、能量消耗等）問(wèn)題、相互干擾問(wèn)題、連續(xù)次級(jí)傳輸問(wèn)題和高能效認(rèn)知協(xié)作傳輸問(wèn)題。能否有效地解決這四個(gè)相互影響的難題，決定了基于協(xié)作傳輸認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。為此，本文研究了如何利用協(xié)作傳輸技術(shù)來(lái)提高認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知和頻譜接入的性能，從而為構(gòu)建開(kāi)銷低、可靠性好以及能效高的認(rèn)知無(wú)線系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。本文主要的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　第一，研究了低開(kāi)銷的協(xié)作感知問(wèn)題。眾

5、所周知，采用協(xié)作傳輸技術(shù)可以大大提高頻譜感知的精度，并且參與協(xié)作的次級(jí)用戶數(shù)量越多，感知精度就越高。但是，大量次級(jí)協(xié)作用戶會(huì)造成巨大的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，例如感知延遲變長(zhǎng)，能量消耗增高和相互干擾加劇等。針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先提出了一種基于選擇匯報(bào)和序貫檢測(cè)的智能協(xié)作感知機(jī)制。論文研究了該機(jī)制感知時(shí)間分配的最優(yōu)化問(wèn)題，并設(shè)計(jì)出了兩個(gè)最優(yōu)準(zhǔn)則，分別用于最大化感知精度和最小化感知時(shí)間。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制不僅可以提高感知精度，還能降低感知開(kāi)銷。然而，與

6、大多數(shù)現(xiàn)有的協(xié)作感知機(jī)制一樣，該機(jī)制需要專門的公共控制信道（CCC，Common Control Channel）來(lái)匯報(bào)本地感知結(jié)果，這會(huì)增加額外的管理成本，同時(shí)也不利于節(jié)省信道資源。為此，論文提出了兩種基于節(jié)點(diǎn)選擇的協(xié)作感知機(jī)制。該機(jī)制考慮了主用戶和次級(jí)用戶之間的相互干擾，并通過(guò)選擇最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)和控制匯報(bào)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)了可以直接通過(guò)感知信道來(lái)匯報(bào)本地感知結(jié)果，而不需要專門的匯報(bào)信道。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制可以在不降低感知精度的情況

7、下，減少感知開(kāi)銷。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化感知時(shí)間分配，可以最小化漏檢概率和感知開(kāi)銷。
　　第二，研究了抗干擾的協(xié)作傳輸問(wèn)題。實(shí)際中，由于各種不同的主用戶和次級(jí)用戶共存于同一認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它們?cè)趥鬏敂?shù)據(jù)時(shí)會(huì)形成相互干擾。這種干擾不僅會(huì)使主用戶的傳輸性能下降，而且會(huì)降低次級(jí)用戶頻譜接入的性能。為解決這一難點(diǎn)，本文首先提出了一種基于干擾消除和最佳中繼選擇的襯墊式（Underlay）協(xié)作頻譜接入機(jī)制，用于在嚴(yán)格功率限制條件下提高次級(jí)傳輸?shù)男阅?。?/p>

8、機(jī)制將干擾消除有機(jī)地融入到次級(jí)最佳中繼選擇和次級(jí)分集接收中，以此來(lái)抑制主用戶的干擾。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制不僅可以降低次級(jí)傳輸?shù)闹袛喔怕?，還可以增加次級(jí)傳輸?shù)姆旨鲆?。然后，本文提出了一種基于功率控制和干擾消除的覆蓋式（Overlay）協(xié)作頻譜接入機(jī)制。在該機(jī)制中，次級(jí)用戶一方面通過(guò)控制其發(fā)射功率來(lái)保障主用戶的通信質(zhì)量，另一方面通過(guò)消除主用戶的干擾來(lái)提高次級(jí)傳輸?shù)男阅?。仿真結(jié)果表明，在給定主用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Se

9、rvice）的要求下，該機(jī)制可以顯著提高覆蓋式次級(jí)傳輸?shù)男阅堋?br>　　第三，研究了連續(xù)的次級(jí)協(xié)作傳輸問(wèn)題。造成次級(jí)傳輸不連續(xù)的因素主要有兩點(diǎn)：一是主用戶再次使用空閑頻段，迫使次級(jí)用戶立即停止數(shù)據(jù)傳輸并退出當(dāng)前所占用的頻段；二是次級(jí)用戶移出了其源用戶的傳輸范圍。為解決第一個(gè)問(wèn)題，本文提出了一種基于功率控制，協(xié)作中繼和波束形成的自適應(yīng)認(rèn)知協(xié)作傳輸機(jī)制。在該機(jī)制中，次級(jí)用戶在主用戶不存在時(shí)直接接入授權(quán)頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在主用戶存在時(shí)通過(guò)

10、中繼用戶的協(xié)助，并控制發(fā)射功率來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，為抑制主用戶的干擾，次級(jí)目的用戶使用波束形成技術(shù)來(lái)接收數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制可以在保障主用戶通信質(zhì)量的情況下，降低次級(jí)中斷概率。為解決第二個(gè)問(wèn)題，本文提出了一種利用認(rèn)知中繼來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)次級(jí)傳輸?shù)膮f(xié)作通信機(jī)制。該機(jī)制不僅考慮了主用戶和次級(jí)用戶的相互干擾，還考慮了次級(jí)用戶之間的干擾。該機(jī)制一方面通過(guò)功率控制技術(shù)來(lái)減少對(duì)主用戶的干擾，另一方面通過(guò)干擾消除和傳輸時(shí)間優(yōu)化技術(shù)來(lái)抑制次級(jí)用戶間的

11、干擾。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制既可以保證次級(jí)上行傳輸和次級(jí)下行傳輸?shù)倪B續(xù)性，又能降低次級(jí)傳輸?shù)闹袛喔怕省?br>　　第四，研究了高能效的認(rèn)知協(xié)作傳輸問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電不僅可以解決頻譜資源的稀缺問(wèn)題，同時(shí)它還被認(rèn)為是一種可以實(shí)現(xiàn)綠色通信的先進(jìn)技術(shù)。為了探索認(rèn)知無(wú)線電在綠色通信中的應(yīng)用，論文提出了一種基于認(rèn)知協(xié)作傳輸?shù)母吣苄ㄐ艡C(jī)制。在該機(jī)制中，次級(jí)用戶首先通過(guò)協(xié)助主用戶傳輸數(shù)據(jù)來(lái)?yè)Q取一些授權(quán)頻譜。然后，利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)作在非授權(quán)頻譜和換取的授權(quán)頻譜上