認知無線網絡中的協作傳輸技術研究.pdf

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

2、nitive Radio）技術被提出，并在過去的十幾年里得到了飛速發(fā)展。
　　認知無線電技術的基本思想是，在不對主用戶引入有害干擾的情況下，允許次級用戶使用授權頻段來傳輸自身數據。在該過程中，認知無線電需要解決兩個最關鍵的問題：頻譜感知（SS，Spectrum Sensing）和頻譜接入（SA，Spectrum Access）。一般地，在認知無線網絡（CRN，CR Network）中，次級用戶在傳輸自身數據前，必須先進行頻譜感知來

3、搜尋周圍可使用的授權頻譜，包括空閑頻段和干擾受控頻段。然后，次級用戶根據感知結果來調節(jié)傳輸參數，并確定最佳的傳輸方式進行頻譜接入。受多徑衰落和陰影效應的影響，傳統(tǒng)頻譜感知和頻譜接入技術的性能會大大降低。為解決這一難題，協作傳輸技術被引入到認知無線電中，并成為當今通信領域的研究熱點和難點。
　　然而，如何將協作傳輸（CT，Cooperative Transmission）技術有機地融合到頻譜感知和頻譜接入中，還有許多問題亟待解決，其

4、中最基本的四個問題為：協作感知開銷（包括感知延遲、匯報數據量、能量消耗等）問題、相互干擾問題、連續(xù)次級傳輸問題和高能效認知協作傳輸問題。能否有效地解決這四個相互影響的難題，決定了基于協作傳輸認知無線網絡的整體性能。為此，本文研究了如何利用協作傳輸技術來提高認知無線網絡中頻譜感知和頻譜接入的性能，從而為構建開銷低、可靠性好以及能效高的認知無線系統(tǒng)奠定理論基礎。本文主要的研究內容及創(chuàng)新點如下：
　　第一，研究了低開銷的協作感知問題。眾

5、所周知，采用協作傳輸技術可以大大提高頻譜感知的精度，并且參與協作的次級用戶數量越多，感知精度就越高。但是，大量次級協作用戶會造成巨大的網絡開銷，例如感知延遲變長，能量消耗增高和相互干擾加劇等。針對上述問題，本文首先提出了一種基于選擇匯報和序貫檢測的智能協作感知機制。論文研究了該機制感知時間分配的最優(yōu)化問題，并設計出了兩個最優(yōu)準則，分別用于最大化感知精度和最小化感知時間。仿真結果表明，該機制不僅可以提高感知精度，還能降低感知開銷。然而，與

6、大多數現有的協作感知機制一樣，該機制需要專門的公共控制信道（CCC，Common Control Channel）來匯報本地感知結果，這會增加額外的管理成本，同時也不利于節(jié)省信道資源。為此，論文提出了兩種基于節(jié)點選擇的協作感知機制。該機制考慮了主用戶和次級用戶之間的相互干擾，并通過選擇最佳協作節(jié)點和控制匯報節(jié)點的發(fā)射功率，實現了可以直接通過感知信道來匯報本地感知結果，而不需要專門的匯報信道。仿真結果表明，該機制可以在不降低感知精度的情況

7、下，減少感知開銷。同時，通過優(yōu)化感知時間分配，可以最小化漏檢概率和感知開銷。
　　第二，研究了抗干擾的協作傳輸問題。實際中，由于各種不同的主用戶和次級用戶共存于同一認知無線網絡，它們在傳輸數據時會形成相互干擾。這種干擾不僅會使主用戶的傳輸性能下降，而且會降低次級用戶頻譜接入的性能。為解決這一難點，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）協作頻譜接入機制，用于在嚴格功率限制條件下提高次級傳輸的性能。該

8、機制將干擾消除有機地融入到次級最佳中繼選擇和次級分集接收中，以此來抑制主用戶的干擾。仿真結果表明，該機制不僅可以降低次級傳輸的中斷概率，還可以增加次級傳輸的分集增益。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）協作頻譜接入機制。在該機制中，次級用戶一方面通過控制其發(fā)射功率來保障主用戶的通信質量，另一方面通過消除主用戶的干擾來提高次級傳輸的性能。仿真結果表明，在給定主用戶服務質量（QoS，Quality of Se

9、rvice）的要求下，該機制可以顯著提高覆蓋式次級傳輸的性能。
　　第三，研究了連續(xù)的次級協作傳輸問題。造成次級傳輸不連續(xù)的因素主要有兩點：一是主用戶再次使用空閑頻段，迫使次級用戶立即停止數據傳輸并退出當前所占用的頻段；二是次級用戶移出了其源用戶的傳輸范圍。為解決第一個問題，本文提出了一種基于功率控制，協作中繼和波束形成的自適應認知協作傳輸機制。在該機制中，次級用戶在主用戶不存在時直接接入授權頻譜進行數據傳輸，而在主用戶存在時通過

10、中繼用戶的協助，并控制發(fā)射功率來進行數據傳輸。此外，為抑制主用戶的干擾，次級目的用戶使用波束形成技術來接收數據。仿真結果表明，該機制可以在保障主用戶通信質量的情況下，降低次級中斷概率。為解決第二個問題，本文提出了一種利用認知中繼來實現連續(xù)次級傳輸的協作通信機制。該機制不僅考慮了主用戶和次級用戶的相互干擾，還考慮了次級用戶之間的干擾。該機制一方面通過功率控制技術來減少對主用戶的干擾，另一方面通過干擾消除和傳輸時間優(yōu)化技術來抑制次級用戶間的

11、干擾。仿真結果表明，該機制既可以保證次級上行傳輸和次級下行傳輸的連續(xù)性，又能降低次級傳輸的中斷概率。
　　第四，研究了高能效的認知協作傳輸問題。認知無線電不僅可以解決頻譜資源的稀缺問題，同時它還被認為是一種可以實現綠色通信的先進技術。為了探索認知無線電在綠色通信中的應用，論文提出了一種基于認知協作傳輸的高能效通信機制。在該機制中，次級用戶首先通過協助主用戶傳輸數據來換取一些授權頻譜。然后，利用網絡協作在非授權頻譜和換取的授權頻譜上