認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作傳輸技術(shù)研究.pdf

1、在當(dāng)前的頻譜管理機(jī)制中，大部分頻段已經(jīng)固定地分配給了主用戶（PU， Primary User，也叫授權(quán)用戶），而只留有小部分頻段給次級用戶（SU，Secondary User，也叫非授權(quán)用戶）使用。然而，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及無線業(yè)務(wù)量的快速增長，有限的頻譜資源已漸漸無法滿足各種無線通信系統(tǒng)的需求。事實(shí)上，造成頻譜資源稀缺的最主要原因是由當(dāng)前固定頻譜分配機(jī)制所引起的低頻譜利用率。為了提高無線頻譜資源的利用率，認(rèn)知無線電（CR，Cog

2、nitive Radio）技術(shù)被提出，并在過去的十幾年里得到了飛速發(fā)展。
　　認(rèn)知無線電技術(shù)的基本思想是，在不對主用戶引入有害干擾的情況下，允許次級用戶使用授權(quán)頻段來傳輸自身數(shù)據(jù)。在該過程中，認(rèn)知無線電需要解決兩個(gè)最關(guān)鍵的問題：頻譜感知（SS，Spectrum Sensing）和頻譜接入（SA，Spectrum Access）。一般地，在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)（CRN，CR Network）中，次級用戶在傳輸自身數(shù)據(jù)前，必須先進(jìn)行頻譜感知來

3、搜尋周圍可使用的授權(quán)頻譜，包括空閑頻段和干擾受控頻段。然后，次級用戶根據(jù)感知結(jié)果來調(diào)節(jié)傳輸參數(shù)，并確定最佳的傳輸方式進(jìn)行頻譜接入。受多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)頻譜感知和頻譜接入技術(shù)的性能會大大降低。為解決這一難題，協(xié)作傳輸技術(shù)被引入到認(rèn)知無線電中，并成為當(dāng)今通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　然而，如何將協(xié)作傳輸（CT，Cooperative Transmission）技術(shù)有機(jī)地融合到頻譜感知和頻譜接入中，還有許多問題亟待解決，其

4、中最基本的四個(gè)問題為：協(xié)作感知開銷（包括感知延遲、匯報(bào)數(shù)據(jù)量、能量消耗等）問題、相互干擾問題、連續(xù)次級傳輸問題和高能效認(rèn)知協(xié)作傳輸問題。能否有效地解決這四個(gè)相互影響的難題，決定了基于協(xié)作傳輸認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。為此，本文研究了如何利用協(xié)作傳輸技術(shù)來提高認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知和頻譜接入的性能，從而為構(gòu)建開銷低、可靠性好以及能效高的認(rèn)知無線系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。本文主要的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　第一，研究了低開銷的協(xié)作感知問題。眾

5、所周知，采用協(xié)作傳輸技術(shù)可以大大提高頻譜感知的精度，并且參與協(xié)作的次級用戶數(shù)量越多，感知精度就越高。但是，大量次級協(xié)作用戶會造成巨大的網(wǎng)絡(luò)開銷，例如感知延遲變長，能量消耗增高和相互干擾加劇等。針對上述問題，本文首先提出了一種基于選擇匯報(bào)和序貫檢測的智能協(xié)作感知機(jī)制。論文研究了該機(jī)制感知時(shí)間分配的最優(yōu)化問題，并設(shè)計(jì)出了兩個(gè)最優(yōu)準(zhǔn)則，分別用于最大化感知精度和最小化感知時(shí)間。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制不僅可以提高感知精度，還能降低感知開銷。然而，與

6、大多數(shù)現(xiàn)有的協(xié)作感知機(jī)制一樣，該機(jī)制需要專門的公共控制信道（CCC，Common Control Channel）來匯報(bào)本地感知結(jié)果，這會增加額外的管理成本，同時(shí)也不利于節(jié)省信道資源。為此，論文提出了兩種基于節(jié)點(diǎn)選擇的協(xié)作感知機(jī)制。該機(jī)制考慮了主用戶和次級用戶之間的相互干擾，并通過選擇最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)和控制匯報(bào)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)了可以直接通過感知信道來匯報(bào)本地感知結(jié)果，而不需要專門的匯報(bào)信道。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制可以在不降低感知精度的情況

7、下，減少感知開銷。同時(shí)，通過優(yōu)化感知時(shí)間分配，可以最小化漏檢概率和感知開銷。
　　第二，研究了抗干擾的協(xié)作傳輸問題。實(shí)際中，由于各種不同的主用戶和次級用戶共存于同一認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，它們在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會形成相互干擾。這種干擾不僅會使主用戶的傳輸性能下降，而且會降低次級用戶頻譜接入的性能。為解決這一難點(diǎn)，本文首先提出了一種基于干擾消除和最佳中繼選擇的襯墊式（Underlay）協(xié)作頻譜接入機(jī)制，用于在嚴(yán)格功率限制條件下提高次級傳輸?shù)男阅?。?/p>

8、機(jī)制將干擾消除有機(jī)地融入到次級最佳中繼選擇和次級分集接收中，以此來抑制主用戶的干擾。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制不僅可以降低次級傳輸?shù)闹袛喔怕?，還可以增加次級傳輸?shù)姆旨鲆?。然后，本文提出了一種基于功率控制和干擾消除的覆蓋式（Overlay）協(xié)作頻譜接入機(jī)制。在該機(jī)制中，次級用戶一方面通過控制其發(fā)射功率來保障主用戶的通信質(zhì)量，另一方面通過消除主用戶的干擾來提高次級傳輸?shù)男阅?。仿真結(jié)果表明，在給定主用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Se

9、rvice）的要求下，該機(jī)制可以顯著提高覆蓋式次級傳輸?shù)男阅堋?br>　　第三，研究了連續(xù)的次級協(xié)作傳輸問題。造成次級傳輸不連續(xù)的因素主要有兩點(diǎn)：一是主用戶再次使用空閑頻段，迫使次級用戶立即停止數(shù)據(jù)傳輸并退出當(dāng)前所占用的頻段；二是次級用戶移出了其源用戶的傳輸范圍。為解決第一個(gè)問題，本文提出了一種基于功率控制，協(xié)作中繼和波束形成的自適應(yīng)認(rèn)知協(xié)作傳輸機(jī)制。在該機(jī)制中，次級用戶在主用戶不存在時(shí)直接接入授權(quán)頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在主用戶存在時(shí)通過

10、中繼用戶的協(xié)助，并控制發(fā)射功率來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，為抑制主用戶的干擾，次級目的用戶使用波束形成技術(shù)來接收數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制可以在保障主用戶通信質(zhì)量的情況下，降低次級中斷概率。為解決第二個(gè)問題，本文提出了一種利用認(rèn)知中繼來實(shí)現(xiàn)連續(xù)次級傳輸?shù)膮f(xié)作通信機(jī)制。該機(jī)制不僅考慮了主用戶和次級用戶的相互干擾，還考慮了次級用戶之間的干擾。該機(jī)制一方面通過功率控制技術(shù)來減少對主用戶的干擾，另一方面通過干擾消除和傳輸時(shí)間優(yōu)化技術(shù)來抑制次級用戶間的

11、干擾。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制既可以保證次級上行傳輸和次級下行傳輸?shù)倪B續(xù)性，又能降低次級傳輸?shù)闹袛喔怕省?br>　　第四，研究了高能效的認(rèn)知協(xié)作傳輸問題。認(rèn)知無線電不僅可以解決頻譜資源的稀缺問題，同時(shí)它還被認(rèn)為是一種可以實(shí)現(xiàn)綠色通信的先進(jìn)技術(shù)。為了探索認(rèn)知無線電在綠色通信中的應(yīng)用，論文提出了一種基于認(rèn)知協(xié)作傳輸?shù)母吣苄ㄐ艡C(jī)制。在該機(jī)制中，次級用戶首先通過協(xié)助主用戶傳輸數(shù)據(jù)來換取一些授權(quán)頻譜。然后，利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)作在非授權(quán)頻譜和換取的授權(quán)頻譜上