認知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制與中繼協(xié)作機制研究.pdf

1、隨著無線通信技術的蓬勃發(fā)展,日益增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源之間的矛盾越來越明顯。在授權頻譜利用率低下和非授權頻譜趨于飽和的矛盾下,認知無線電技術應運而生,通過大力發(fā)掘授權頻譜的復用潛力,有效地改善了當前固定頻譜分配方式的不合理性?；谡J知無線電的動態(tài)頻譜接入機制,能夠大大提高頻譜資源的利用率,在一定程度上緩解了頻譜資源的緊張程度。而基于認知無線電的頻譜共享機制,則可以實現(xiàn)異構無線網(wǎng)絡和諧共存的目標,在滿足各種業(yè)務需求的同時為

2、用戶提供更好的體驗。本學位論文首先分別針對支持非時延敏感業(yè)務和時延敏感業(yè)務的認知無線電系統(tǒng),就認知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制進行了分析和研究。接著創(chuàng)新性地提出了基于認知中繼協(xié)作的頻譜共享機制,并深入研究了其中的資源聯(lián)合優(yōu)化問題。主要從以下幾個方面展開深入研究,概括如下:
　　 研究了針對非時延敏感業(yè)務的認知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制問題。在認知OFDM系統(tǒng)中,在主用戶即時信息速率不變的約束下,認知用戶發(fā)送端必須拿出一部分功率合作傳輸主用

3、戶信號以消除自身傳輸對主用戶鏈路的干擾,導致每個子載波上分配到的功率和實際獲得的比特速率不一致。在離散比特約束下,給出了一種功率和比特的轉化方法,從而將功率和比特聯(lián)合優(yōu)化分配問題簡化為單變量優(yōu)化問題,在此基礎上提出了貪婪比特優(yōu)化分配算法,并證明了其最優(yōu)性。對于主用戶自適應調整其調制編碼方式的認知無線電系統(tǒng),在訓練序列階段,根據(jù)主用戶傳輸所允許的最小平均頻譜效率確定認知用戶在該階段采用的最佳發(fā)射功率。在數(shù)據(jù)傳輸階段,根據(jù)認知用戶所能獲得的

4、主用戶鏈路即時信息(如調制編碼方式,接收信干噪比等)的程度,在不違反主鏈路和認知鏈路要求的誤包率約束下,分別提出了三種基于AMC技術的自適應鏈路優(yōu)化控制策略,盡力提高認知鏈路在單位頻段上的平均頻譜效率。如當主用戶鏈路即時信道狀態(tài)信息未知時,給出了認知用戶在固定發(fā)射功率下,用來確定AMC模式的SINR閾值的最佳選擇。當主用戶鏈路即時AMC模式已知時,聯(lián)合考慮低靈活度的功率優(yōu)化控制和隨機接入策略。而當主用戶鏈路即時接收SINR已知時,則可以

5、采用高靈活度的功率優(yōu)化控制和確定性接入策略。
　　 研究了針對時延敏感業(yè)務的認知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制問題。針對ON/OFF兩狀態(tài)授權信道模型,認知用戶的數(shù)據(jù)包到達率受到兩方面的約束:時延QoS保障下的有效容量約束和來自主用戶方的傳輸沖突概率約束。分別提出了η隨機接入策略和感知參數(shù)調整策略以緩解上述兩個約束不匹配導致的頻譜資源非有效利用問題,同時在滿足時延QoS約束下盡可能地提高認知用戶的數(shù)據(jù)包到達率。針對瑞利衰落信道模型,在主

6、用戶發(fā)射功率固定的情況下,將主用戶要求的傳輸中斷概率約束放松為平均干擾約束。而在主用戶自適應地根據(jù)灌水法則調整發(fā)射功率的情況下,相應地將傳輸中斷概率約束放松為即時干擾約束.接著分別就以上兩種情況,聯(lián)合平均發(fā)射功率約束,在凸優(yōu)化理論的指導下,研究了如何實時調整發(fā)射功率以最大化認知用戶的有效容量,并分析了Qos指數(shù)對功率優(yōu)化控制策略以及認知用戶吞吐量的影響。
　　 研究了基于認知中繼協(xié)作的頻譜共享機制中的資源聯(lián)合優(yōu)化問題。首先創(chuàng)新性

7、地提出了基于認知中繼協(xié)作的頻譜共享機制,使得非認知的從用戶系統(tǒng)在不需要更新設備的情況下可以實現(xiàn)和主用戶系統(tǒng)共享頻譜的目標。該頻譜共享機制充分結合了系統(tǒng)內(nèi)合作頻譜共享和系統(tǒng)間合作頻譜共享的優(yōu)勢,使得認知中繼在為從用戶創(chuàng)造頻譜接入機會的同時,有效減少了對主用戶系統(tǒng)的干擾并提高了從用戶系統(tǒng)的吞吐量。根據(jù)認知中繼協(xié)作對象的不同,分別給出了該機制下三種可能存在的傳輸模式。為了實現(xiàn)最小化主用戶傳輸中斷概率以及最大化從用戶平均傳輸速率的雙贏目標,提出

8、了基于模式切換的機會式認知中繼策略,并研究了每種模式下從用戶和認知中繼的功率聯(lián)合優(yōu)化問題。當直傳鏈路不存在時,考慮了更為復雜的認知中繼同時協(xié)作主從系統(tǒng)傳輸?shù)膯栴}。認知中繼首先偵聽來自主用戶和從用戶發(fā)送端的信號,接著分別進行譯碼,將主從信號編碼再生后轉發(fā)給對應的接收端。當認知中繼分別采用逐次譯碼和疊加編碼來處理接收信號和發(fā)送再生信號時,研究了從用戶發(fā)送端的功率控制以及認知中繼端的逐次譯碼順序的聯(lián)合優(yōu)化控制,并在疊加編碼時考慮了功率優(yōu)化分配