譜效和能效優(yōu)化的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)資源分配技術(shù).pdf

1、認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(CRN，Cognitive Radio Network)由于允許非授權(quán)用戶與授權(quán)用戶動態(tài)共享頻譜資源，從而可以有效緩解頻譜資源日益緊缺與利用率低下的矛盾，得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要形態(tài)之一。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，由于頻譜資源的稀缺特性和認(rèn)知用戶傳輸功率的受限特性，如何高效動態(tài)地分配各種網(wǎng)絡(luò)資源（如頻譜、功率等），在不干擾授權(quán)用戶正常通信的同時提升非授權(quán)用戶的性能，獲得高的系統(tǒng)頻譜效率(SE

2、，SpectrumEfficiency)和能量效率(EE，Energy Efficiency)，成為該網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容。
　　針對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)資源分配技術(shù)面臨的高譜效和高能效的挑戰(zhàn)，本文在機(jī)會式(Spectrum Overlay)和下墊式(Spectrum Underlay)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中（前者允許認(rèn)知用戶先進(jìn)行頻譜感知，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑后接入該頻段進(jìn)行傳輸;后者允許認(rèn)知用戶在對主用戶造成的干擾小于允許門限的情況下和主用戶同時

3、進(jìn)行傳輸）結(jié)合跨層設(shè)計(jì)思想、優(yōu)化理論和魯棒性設(shè)計(jì)，分別以提升頻譜效率和能量效率為目標(biāo)，研究了該場景下高效資源分配機(jī)制的設(shè)計(jì)問題。本文的研究內(nèi)容簡述如下:
　　1、提出了分布式多信道認(rèn)知多址接入?yún)f(xié)議(MAC，Medium Access Control)，實(shí)現(xiàn)了對空閑頻譜資源的高效共享。在分布式多信道Overlay認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，針對預(yù)約信道與數(shù)據(jù)信道的信道狀態(tài)不一致性，以及數(shù)據(jù)信道傳輸能力的差異性未被充分利用造成的空閑頻譜使用效率

4、低的問題，提出了基于數(shù)據(jù)信道狀態(tài)感知的多信道認(rèn)知多址協(xié)議(CAM-MAC，Channel Aware Multi-channel MAC protocol)。該協(xié)議在預(yù)約信道上通過信息聚合的握手機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信道的預(yù)約和空閑信道信息的交互，有效減少了認(rèn)知用戶在預(yù)約信道上的平均成功預(yù)約時長。在服從Nakagami衰落的數(shù)據(jù)信道上，設(shè)計(jì)了基于瞬時信噪比的自適應(yīng)傳輸機(jī)制，充分利用了多個數(shù)據(jù)信道上傳輸速率的差異性，從而進(jìn)一步提升了空閑頻譜的利

5、用率。理論分析與仿真結(jié)果均表明:與已有協(xié)議相比，所提出的CAM-MAC協(xié)議能夠顯著地提升認(rèn)知用戶的飽和吞吐量且具有更低的時延性能。
　　2、提出了一種實(shí)現(xiàn)認(rèn)知用戶平均能效最大化的功率分配策略。在Underlay認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，針對基于瞬時信道信息的靜態(tài)優(yōu)化方法不能夠在快衰落場景中所有衰落狀態(tài)下保障認(rèn)知用戶的長期能效性能和主用戶長期服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)的問題，提出了一種最優(yōu)的功率分配方法來最大化

6、認(rèn)知用戶平均EE。首先，采用中斷概率約束作為主用戶的QoS指標(biāo)，同時考慮認(rèn)知用戶的平均發(fā)送功率和峰值發(fā)送功率約束，將該問題建模為具有機(jī)會約束的分式優(yōu)化問題。由于該問題目標(biāo)函數(shù)(平均EE)的非凸性以及主用戶QoS約束的統(tǒng)計(jì)特性，因此該問題的求解極具挑戰(zhàn)性。所以論文基于分式規(guī)劃和拉格朗日對偶理論，提出了一種高效的迭代功率分配算法(IPA，Iterative Power Allocation algorithm)來求解上述問題，獲得了最優(yōu)的功

7、率分配策略，在保障主用戶QoS的前提下能夠最大化認(rèn)知用戶的平均EE。進(jìn)而，分析了該功率分配算法的計(jì)算復(fù)雜度。同時發(fā)現(xiàn)，該場景下遍歷容量最大化問題可以歸納為平均EE最大化問題的一個特例。仿真結(jié)果表明:該功率分配策略在滿足主用戶中斷概率約束的前提下，能夠最大化認(rèn)知用戶的平均EE。此外，不同于遍歷容量最大化問題，認(rèn)知用戶最優(yōu)的平均EE和主用戶的中斷概率門限僅僅在一定范圍內(nèi)存在折衷關(guān)系。
　　3、提出了一種具有魯棒性的功率分配方案，實(shí)現(xiàn)了

8、非完美信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Information)下認(rèn)知用戶的能效最大化。在多信道Underlay認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，針對多個信道上非完美CSI將會極大降低認(rèn)知用戶能效并嚴(yán)重?fù)p害主用戶正常通信的問題，提出了一種嚴(yán)格保障主用戶QoS的最大化認(rèn)知用戶能效的功率分配方法。首先，從魯棒性優(yōu)化角度出發(fā)，將上述問題建模為一個具有無限個約束的最大最小優(yōu)化問題。由于該問題外部最大化問題的非凸性以及內(nèi)部最小化問題屬于凹函數(shù)的最

9、小化問題，因此該問題是NP難的。所以論文基于分式規(guī)劃和全局優(yōu)化理論，提出了一種基于交替迭代的功率分配算法(AIA，AlternatingIterative Algorithm)來求解該問題。仿真結(jié)果表明:當(dāng)所有信道CSI不準(zhǔn)確時，所提的魯棒性方法能夠嚴(yán)格保證認(rèn)知用戶對主用戶的干擾小于給定門限值，同時還能夠顯著提升認(rèn)知用戶的EE性能。尤為重要的是，我們發(fā)現(xiàn):非魯棒性方案下的EE在信道CSI誤差很小時，具有一定的魯棒性;當(dāng)信道CSI不準(zhǔn)確時