協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的資源管理及中斷概率研究.pdf

1、認(rèn)知無線電技術(shù)通過自適應(yīng)檢測(cè)并使用無線空間中未被充分利用的頻譜資源，極大地提高了頻譜利用率。協(xié)作通信技術(shù)利用中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸，給系統(tǒng)帶來了協(xié)作分集增益。將認(rèn)知無線電技術(shù)與協(xié)作通信技術(shù)相結(jié)合，不僅可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率，還可以使系統(tǒng)獲得分集增益進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)吞吐量（容量）。因此，兼具以上兩者特點(diǎn)的協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)（CCRN），成為當(dāng)前通信領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，特別是對(duì)協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)性能及其無線資源管理的研究，更是成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2、本文針對(duì)協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的信道分配、功率分配、中繼選擇等資源管理問題和中斷性能進(jìn)行了研究和分析。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、乓愿咚垢蓴_信道模型和協(xié)作通信模型為基礎(chǔ)，給出了認(rèn)知中繼信道模型和協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的傳輸模型。在協(xié)作認(rèn)知中繼信道模型中，信道根據(jù)其構(gòu)成情況，可以劃分為異構(gòu)兩跳信道、直傳信道和協(xié)作中繼信道。然后給出了放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)兩種協(xié)議下協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。以吞吐量為目標(biāo)函數(shù)，給出了協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中包括功率分配、

3、信道分配和中繼選擇等方面的多通道資源管理模型。介紹了資源管理研究中所涉及到的優(yōu)化理論，包括凸優(yōu)化理論、幾何規(guī)劃理論，博弈論和變分不等式等。
　　⑵以多通道資源管理模型為基礎(chǔ)，論文對(duì)多通道三節(jié)點(diǎn)協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的信道分配、功率分配和時(shí)隙分配進(jìn)行了研究。由于此類資源管理問題只涉及到一個(gè)中繼系統(tǒng)，本文稱之為協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部（Intra-CCRN）的資源管理問題。首先給出了解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下最優(yōu)的信道分配算法。該算法通過枚舉協(xié)作中繼信道

4、分配為直傳信道或異構(gòu)兩跳信道的所有分配組合，然后選取獲得最大吞吐量的組合作為最終的信道分配。對(duì)最優(yōu)算法進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，它與協(xié)作中繼信道的數(shù)量 N呈指數(shù)關(guān)系O(4N)。為減小計(jì)算復(fù)雜度，本文提出了基于容量增量的次優(yōu)信道分配算法，其計(jì)算復(fù)雜度為 O(N)。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下，將協(xié)作中繼信道的分配過程建模為一個(gè)指派矩陣，然后基于容量增量思想給出了放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下的低復(fù)雜度信道分配算法。對(duì)兩種協(xié)議下的信道分配算法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明次優(yōu)信道分配算法和最優(yōu)

5、算法相比，算法以較小的性能損失為代價(jià)極大地降低了計(jì)算復(fù)雜度。
　?、菍?duì)解碼轉(zhuǎn)發(fā)和放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下多通道協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的信道與功率聯(lián)合分配進(jìn)行了研究。在解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下，本文提出了基于對(duì)數(shù)近似系列幾何規(guī)劃的功率分配算法，將原非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題來求解，證明了該優(yōu)化解不僅是幾何規(guī)劃問題的最優(yōu)解，還是原功率分配問題的全局最優(yōu)解。本文進(jìn)一步對(duì)解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下的傳輸時(shí)隙進(jìn)行了優(yōu)化，提出了信道、功率和時(shí)隙的聯(lián)合分配算法。在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下

6、，提出了基于期望最大化思想的迭代功率分配算法，將非凸的功率分配問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題來求解。綜合信道和功率分配，提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下的聯(lián)合資源管理算法。對(duì)以上算法進(jìn)行仿真，得到以下結(jié)論：1）多通道協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中，信道分配較功率分配在提高系統(tǒng)的吞吐量方面更加高效。2）信道與功率的聯(lián)合分配可以極大地提高系統(tǒng)的吞吐量。3）解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下，信道、功率與時(shí)隙的聯(lián)合分配在中低信噪比下可以最大化系統(tǒng)吞吐量。4）解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下，信道與功率的聯(lián)合分配較

7、時(shí)隙與功率的聯(lián)合分配獲得的系統(tǒng)吞吐量更大。
　　⑷在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（CRN）中，存在多對(duì)認(rèn)知用戶為滿足自身傳輸需求而競(jìng)爭(zhēng)無線資源的情況。此時(shí)，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的資源管理問題不僅包括協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)或認(rèn)知用戶對(duì)內(nèi)部的資源管理，還包括了它們之間的資源管理。本文將這類資源管理問題稱為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)之間（Inter-CRN）的資源管理問題。在Inter-CRN資源管理的中繼選擇和功率分配過程中，各用戶的約束條件相互影響，導(dǎo)致該類問題不能使

8、用一般的凸優(yōu)化算法來求解。因此，本文首先將該類Inter-CRN中的中繼選擇、信道分配和功率分配建模為廣義納什均勢(shì)問題（GNEP），然后提出了分布式的中繼選擇、信道分配和功率分配算法，并基于變分不等式理論將該GNEP轉(zhuǎn)化為一系列易于求解的納什均勢(shì)問題。通過對(duì)廣義納什均勢(shì)問題解的存在性和唯一性進(jìn)行研究，本文給出了獲得其唯一解的充分必要條件。
　　⑸中斷概率是衡量認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)之一。對(duì)三節(jié)點(diǎn)認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)在機(jī)會(huì)頻譜接入、襯墊

9、式頻譜接入和混合頻譜接入方式下的中斷性能進(jìn)行了研究。首先給出了三節(jié)點(diǎn)協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)頻譜接入模型，綜合考慮授權(quán)用戶活動(dòng)模型及認(rèn)知用戶的檢測(cè)能力，提出了機(jī)會(huì)頻譜接入的度量模型。根據(jù)此度量，推導(dǎo)了信道服從瑞利分布時(shí)，認(rèn)知用戶基于多中繼時(shí)分重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸和基于不同中繼選擇準(zhǔn)則來選擇最佳中繼傳輸時(shí)的中斷概率閉合表達(dá)式，并分別對(duì)其分集度進(jìn)行了分析。隨后，給出了基于襯墊式頻譜接入下的中斷概率閉合表達(dá)式并推導(dǎo)了分集度?；诖藘煞N頻譜接入方式，本文

10、推導(dǎo)出了混合頻譜接入方式下選擇最佳中繼傳輸時(shí)的中斷概率閉合表達(dá)式。通過仿真得到以下結(jié)論：機(jī)會(huì)頻譜接入方式中，認(rèn)知用戶基于多中繼時(shí)分重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸時(shí)的中斷性能在中低信噪比下不隨中繼數(shù)量的增加而減小，但在高信噪比時(shí)下降速度較快；認(rèn)知用戶選擇一個(gè)最佳中繼參與傳輸時(shí)的中斷概率隨著潛在中繼數(shù)量的增加而減??；混合頻譜接入方式中，比較了基于激勵(lì)反應(yīng)式（最大 R-D鏈路接收信噪比）和積極主動(dòng)式（最大-最小S-R-D鏈路接收信噪比）兩個(gè)中繼選擇準(zhǔn)則下的中斷