認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜感知與動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)的研究.pdf

1、無線電頻譜是不可再生的、寶貴的通信資源。隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶化、多樣化需求的日益增加，頻譜資源緊缺與用戶需求之間的矛盾越演越烈。然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的固定頻譜管理方式及已分配頻譜的使用不平衡是導(dǎo)致這一矛盾出現(xiàn)的本質(zhì)。認(rèn)知無線電是一種有效利用頻譜資源、緩解無線頻譜緊缺問題的新方法，通過感知周圍無線環(huán)境、自動(dòng)搜尋可用頻譜，動(dòng)態(tài)地將其進(jìn)行再分配和再使用，為提高頻譜利用率開辟了嶄新的途徑。
　　 由于授權(quán)用戶活動(dòng)

2、的隨機(jī)性，導(dǎo)致空閑頻譜隨機(jī)出現(xiàn)。如何快速有效地獲得空閑頻譜的可靠信息是認(rèn)知用戶的首要任務(wù)，也是頻譜感知的主要目的。根據(jù)感知結(jié)果，認(rèn)知用戶自適應(yīng)調(diào)整工作參數(shù)以適應(yīng)周圍環(huán)境的變化，同時(shí)保護(hù)授權(quán)用戶的通信不受干擾。由于認(rèn)知無線電系統(tǒng)自身的特殊性，如何管理好對(duì)授權(quán)用戶的干擾及認(rèn)知用戶間的互干擾并獲得最優(yōu)系統(tǒng)性能，是認(rèn)知用戶間動(dòng)態(tài)資源分配的主要任務(wù)，必須精心設(shè)計(jì)。因此，本論文主要針對(duì)認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知和動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)展開了深入的研究和探

3、索，主要的研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)基于能量檢測(cè)器，研究了認(rèn)知無線電系統(tǒng)寬帶頻譜感知的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。在寬帶OFDM系統(tǒng)中，由于信道時(shí)變和多徑衰落等影響，每個(gè)子載波經(jīng)歷不同的衰落。如何快速發(fā)現(xiàn)并識(shí)別出微弱的授權(quán)用戶信號(hào)需要在每個(gè)子載波上設(shè)置不同的判決門限，而虛警概率約束也同樣影響判決門限的設(shè)置。此外，感知時(shí)間影響著感知信息的有效性和準(zhǔn)確性，優(yōu)化時(shí)必須與判決門限同時(shí)考慮。因此，針對(duì)寬帶OFDM系統(tǒng)，本論文研究了感知時(shí)間和判決門限聯(lián)

4、合優(yōu)化的寬帶頻譜感知，在感知精確度要求和對(duì)授權(quán)用戶干擾門限約束下，使認(rèn)知無線電系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳。利用最優(yōu)化理論，對(duì)該問題進(jìn)行建模、優(yōu)化，然后提出了一種聯(lián)合優(yōu)化算法，并通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。仿真結(jié)果表明了所提出的聯(lián)合優(yōu)化方法能夠使認(rèn)知無線電系統(tǒng)的機(jī)會(huì)吞吐量達(dá)到最大，同時(shí)很好地滿足約束要求;
　　 (2)由上一章分析知，周期感知的幀結(jié)構(gòu)限制了感知時(shí)間，導(dǎo)致在感知時(shí)間與系統(tǒng)吞吐量之間存在折中。為此，本論文改進(jìn)認(rèn)知用戶的接

5、收機(jī)結(jié)構(gòu)，將信號(hào)接收解調(diào)與頻譜感知聯(lián)合設(shè)計(jì)，允許認(rèn)知用戶信號(hào)接收和頻譜感知同時(shí)進(jìn)行。并且當(dāng)感知精確度需求一旦滿足，感知電路將切換到睡眠模式以節(jié)約功率，進(jìn)而提出了一種帶有睡眠模式的并行頻譜感知方法。相比較而言，感知時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間都得到增加，因而認(rèn)知系統(tǒng)性能得到改善。同時(shí)睡眠模式也能減少系統(tǒng)能量消耗?？紤]授權(quán)用戶活動(dòng)的隨機(jī)性，研究了感知時(shí)間和功率分配聯(lián)合優(yōu)化問題，以使得認(rèn)知系統(tǒng)可達(dá)機(jī)會(huì)吞吐量達(dá)到最大，同時(shí)滿足頻譜感知精確度和認(rèn)知系統(tǒng)功率

6、預(yù)算的要求，并保證對(duì)主用戶造成的干擾低于給定的門限值。提出了一種聯(lián)合優(yōu)化算法來獲得該問題的最優(yōu)解，內(nèi)層算法在給定感知時(shí)間情況下有效迭代出最優(yōu)功率分配;然后利用外層算法搜索出最優(yōu)的感知時(shí)間和功率分配。最后通過數(shù)值仿真，并與其他已有方法的比較，驗(yàn)證了所提方法的可行性和優(yōu)越性;
　　 (3)認(rèn)知無線電系統(tǒng)已有的動(dòng)態(tài)資源分配算法是基于OFDM，且在靜止環(huán)境下提出的。當(dāng)認(rèn)知用戶移動(dòng)或周圍有其它物體在移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生子載波間干擾。這種干擾嚴(yán)重

7、降低了基于OFDM的認(rèn)知系統(tǒng)性能，尤其在高速移動(dòng)環(huán)境下，系統(tǒng)性能更加惡化。而已有的動(dòng)態(tài)資源分配算法都是針對(duì)靜止環(huán)境下的。為此，本論文提出了一種移動(dòng)環(huán)境下的自適應(yīng)子載波帶寬方法，來減小子載波間干擾的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了基于OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)的子載波帶寬和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化問題。在認(rèn)知系統(tǒng)的子載波帶寬、功率預(yù)算和對(duì)授權(quán)用戶干擾約束條件下，聯(lián)合優(yōu)化子載波帶寬和功率分配，使得認(rèn)知系統(tǒng)的帶寬效率最大。提出的一維搜索迭代算法能夠獲得

8、最優(yōu)的子載波帶寬和對(duì)應(yīng)的功率分配。仿真結(jié)果也表明，所提算法能夠達(dá)到最大的認(rèn)知系統(tǒng)帶寬效率，同時(shí)有效地抑制對(duì)授權(quán)用戶的干擾，滿足約束要求;
　　 (4)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知無線電系統(tǒng)大多數(shù)已有的動(dòng)態(tài)資源分配都以實(shí)現(xiàn)頻譜利用率最大化為目的。然而，目前能量消耗已逐漸受到越來越多的關(guān)注?；陔姵啬芰繅勖?、網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展等考慮，減少認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的能量消耗不僅可以減少對(duì)環(huán)境的影響，而且也降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成本，并有助于使認(rèn)知無線電通信更加實(shí)用

9、和普遍化。因此，在機(jī)會(huì)頻譜接入方式下，本論文研究了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)下基于OFDM的多用戶認(rèn)知無線電系統(tǒng)傳輸鏈路的動(dòng)態(tài)資源分配，使得認(rèn)知系統(tǒng)總的傳輸功率最小，并滿足認(rèn)知用戶的目標(biāo)傳輸速率要求和干擾功率約束。利用最優(yōu)化方法，分析推導(dǎo)出最優(yōu)的子載波和功率分配。在給定子載波分配情況下，最優(yōu)功率分配不僅與每個(gè)子載波的信道條件有關(guān)，而且還與每個(gè)子載波對(duì)授權(quán)用戶造成的干擾有關(guān)。由于所提出的最優(yōu)聯(lián)合分配算法計(jì)算量非常大，進(jìn)而提出基于隨機(jī)搜索的次優(yōu)算法。仿真結(jié)果

10、表明，提出的次優(yōu)算法復(fù)雜度低且性能上能夠很好的逼近最優(yōu)算法，并優(yōu)于其他已有的算法;
　　 (5)上述動(dòng)態(tài)資源分配是基于非協(xié)作頻譜共享方式的，認(rèn)知用戶缺乏與授權(quán)用戶的合作，因而減少了更多頻譜使用的機(jī)會(huì)。協(xié)作中繼是一種有效改善系統(tǒng)容量的通信技術(shù)，但認(rèn)知系統(tǒng)中頻譜接入權(quán)的不對(duì)等性及認(rèn)知用戶所獲得的授權(quán)用戶邊緣信息的不確定性，影響著認(rèn)知用戶發(fā)射端編碼策略的選擇;再加上干擾功率約束，認(rèn)知系統(tǒng)的性能受到了極大地限制。在這種非對(duì)等信息情況下，

11、本論文基于OFDM的認(rèn)知系統(tǒng)提出了協(xié)作頻譜接入的頻譜共享方式，即認(rèn)知用戶本身作為中繼幫助授權(quán)用戶傳輸，同時(shí)也允許在相同頻段傳輸自身數(shù)據(jù)。利用信號(hào)傳輸性能差異，認(rèn)知用戶采用疊加編碼技術(shù)，消除來自授權(quán)用戶的干擾。在此基礎(chǔ)上，研究了認(rèn)知系統(tǒng)的功率分配問題，在認(rèn)知用戶目標(biāo)傳輸速率要求和保護(hù)授權(quán)用戶即時(shí)速率不變的約束下，使得認(rèn)知系統(tǒng)總的傳輸功率最小。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)將兩變量約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單變量約束優(yōu)化問題，并提出了一種基于貪婪思想的最優(yōu)功率分配算