認(rèn)知無線電系統(tǒng)中接入控制與頻譜共享技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，各種海量新應(yīng)用開始涌現(xiàn)，頻譜資源凸顯短缺，可供分配的頻譜也越來越少。但研究表明，當(dāng)前基于授權(quán)分配的頻譜中，很多頻段利用率較低。認(rèn)知無線電技術(shù)可通過動態(tài)頻譜訪問方式提高頻譜利用率，進(jìn)而為認(rèn)知用戶提供高速、可靠的服務(wù)。然而由于認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的不對等，其通信過程既不能干擾到授權(quán)用戶，又要盡可能避免來自授權(quán)用戶的干擾，這就需要對認(rèn)知系統(tǒng)中各個用戶進(jìn)行接入控制和功率控制，以期實現(xiàn)高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸。此外，如何高效的利

2、用頻譜資源，對授權(quán)用戶的共享頻譜資源進(jìn)行最優(yōu)分配，也是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的核心問題。本文重點研究了認(rèn)知無線系統(tǒng)中的接入控制與頻譜共享問題，以完善認(rèn)知無線電系統(tǒng)的動態(tài)頻譜訪問理論。
　　本文的主要工作與創(chuàng)新如下:
　　(1)提出了OFDM傳輸模式下認(rèn)知無線電用戶的發(fā)送許可與功率控制算法針對OFDM系統(tǒng)中由于認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶的發(fā)送信號非正交而會對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾的問題，研究了在保證對授權(quán)用戶干擾低于指定閾值并滿足認(rèn)知用戶信噪比條

3、件下的從用戶發(fā)送許可問題。首先證明了發(fā)送許可問題在約束條件下是一個NP-hard問題，并利用認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶干擾分布的特點，提出了一個次優(yōu)的認(rèn)知用戶發(fā)送許可求解算法。然后在此結(jié)果上，進(jìn)一步研究了認(rèn)知用戶的功率優(yōu)化問題，以便最大化允許發(fā)送的認(rèn)知用戶的發(fā)送速率。最后基于拉格朗日對偶理論，提出了一個復(fù)雜度較低的關(guān)于認(rèn)知用戶發(fā)送功率的迭代求解算法。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的認(rèn)知用戶發(fā)送速率提高了約30％。
　　(2)研究了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的接

4、入?yún)?shù)優(yōu)化問題首先研究了基于貝葉斯風(fēng)險干擾模型的接入?yún)?shù)優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)對虛警概率、誤檢概率的容忍度，將其加權(quán)定義成貝葉斯風(fēng)險，建立了貝葉斯風(fēng)險與干擾率、發(fā)送時間的關(guān)系模型，并在此基礎(chǔ)上，研究了在指定貝葉斯風(fēng)險值、滿足對授權(quán)用戶的干擾約束時，單用戶感知模式下判決門限、感知時間和數(shù)據(jù)發(fā)送時間的聯(lián)合優(yōu)化問題，及多用戶合作感知模式下基于紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則的感知時間和數(shù)據(jù)發(fā)送時間的優(yōu)化設(shè)計問題。仿真結(jié)果表明，同已有算法相比，由于接入?yún)?shù)的優(yōu)化，即使

5、貝葉斯風(fēng)險較大時，本文算法也能取得更優(yōu)的吞吐量。其次從增大認(rèn)知用戶訪問時間的角度，研究了干擾及接入機(jī)會丟失受限時的幀長設(shè)計問題。當(dāng)虛警發(fā)生或正確檢測到授權(quán)用戶占用信道但在發(fā)送時間內(nèi)主用戶離開，然而此時認(rèn)知用戶因沒有接入信道，會導(dǎo)致從用戶接入機(jī)會丟失。而誤檢或正確感知到信道空閑，但授權(quán)用戶接入時則會產(chǎn)生干擾?；谑跈?quán)用戶對信道的占用/空閑服從負(fù)指數(shù)分布的假設(shè)，推導(dǎo)了幀內(nèi)干擾時間和丟失時間小于指定比例幀長時的干擾概率、接入機(jī)會丟失概率模型，

6、并基于該模型，提出了一個具有較高認(rèn)知用戶接入時間的幀長設(shè)計方案。實驗結(jié)果表明，基于該方案的幀長設(shè)計能有效的保證從用戶的接入時間、感知效率和較低的干擾率。
　　(3)提出了認(rèn)知無線電系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)發(fā)送時間的確定算法基于授權(quán)用戶對信道的占用/空閑時間服從負(fù)指數(shù)分布的假設(shè)，推導(dǎo)了授權(quán)用戶在數(shù)據(jù)發(fā)送時間內(nèi)可以出現(xiàn)任意次數(shù)時，干擾時間關(guān)于數(shù)據(jù)發(fā)送時間的函數(shù)模型，并據(jù)此提出了一個干擾率受限的數(shù)據(jù)發(fā)送時間設(shè)置方案。根據(jù)該方案設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時間

7、，能較精確地控制授權(quán)用戶所受的干擾率。進(jìn)一步的仿真實驗表明干擾率的實驗值與本文干擾模型的理論值非常接近，充分驗證了提出的干擾模型的精確性。
　　(4)提出了基于頻譜市場的空閑頻譜共享定價算法基于頻譜市場的頻譜共享方案中，定價是一個難題。針對多個授權(quán)用戶的空閑頻譜最優(yōu)定價問題，在競爭模型下，基于非合作博弈論提出了競爭價格模型求解算法，并證明了該算法收斂到唯一的納什均衡;在合作模型下，通過求解原問題的對偶問題，提出了合作價格模型求解算