認(rèn)知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制與中繼協(xié)作機(jī)制研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展,日益增長(zhǎng)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(quán)頻譜利用率低下和非授權(quán)頻譜趨于飽和的矛盾下,認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,通過大力發(fā)掘授權(quán)頻譜的復(fù)用潛力,有效地改善了當(dāng)前固定頻譜分配方式的不合理性。基于認(rèn)知無線電的動(dòng)態(tài)頻譜接入機(jī)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(rèn)知無線電的頻譜共享機(jī)制,則可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)和諧共存的目標(biāo),在滿足各種業(yè)務(wù)需求的同時(shí)為

2、用戶提供更好的體驗(yàn)。本學(xué)位論文首先分別針對(duì)支持非時(shí)延敏感業(yè)務(wù)和時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的認(rèn)知無線電系統(tǒng),就認(rèn)知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制進(jìn)行了分析和研究。接著創(chuàng)新性地提出了基于認(rèn)知中繼協(xié)作的頻譜共享機(jī)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(gè)方面展開深入研究,概括如下:
　　 研究了針對(duì)非時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的認(rèn)知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制問題。在認(rèn)知OFDM系統(tǒng)中,在主用戶即時(shí)信息速率不變的約束下,認(rèn)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(hào)以消除自身傳輸對(duì)主用戶鏈路的干擾,導(dǎo)致每個(gè)子載波上分配到的功率和實(shí)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(zhuǎn)化方法,從而將功率和比特聯(lián)合優(yōu)化分配問題簡(jiǎn)化為單變量?jī)?yōu)化問題,在此基礎(chǔ)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(duì)于主用戶自適應(yīng)調(diào)整其調(diào)制編碼方式的認(rèn)知無線電系統(tǒng),在訓(xùn)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(rèn)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(rèn)知用戶所能獲得的

4、主用戶鏈路即時(shí)信息(如調(diào)制編碼方式,接收信干噪比等)的程度,在不違反主鏈路和認(rèn)知鏈路要求的誤包率約束下,分別提出了三種基于AMC技術(shù)的自適應(yīng)鏈路優(yōu)化控制策略,盡力提高認(rèn)知鏈路在單位頻段上的平均頻譜效率。如當(dāng)主用戶鏈路即時(shí)信道狀態(tài)信息未知時(shí),給出了認(rèn)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(dāng)主用戶鏈路即時(shí)AMC模式已知時(shí),聯(lián)合考慮低靈活度的功率優(yōu)化控制和隨機(jī)接入策略。而當(dāng)主用戶鏈路即時(shí)接收SINR已知時(shí),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(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的認(rèn)知無線傳輸鏈路的優(yōu)化控制問題。針對(duì)ON/OFF兩狀態(tài)授權(quán)信道模型,認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)包到達(dá)率受到兩方面的約束:時(shí)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(jī)接入策略和感知參數(shù)調(diào)整策略以緩解上述兩個(gè)約束不匹配導(dǎo)致的頻譜資源非有效利用問題,同時(shí)在滿足時(shí)延QoS約束下盡可能地提高認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)包到達(dá)率。針對(duì)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(yīng)地根據(jù)灌水法則調(diào)整發(fā)射功率的情況下,相應(yīng)地將傳輸中斷概率約束放松為即時(shí)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(dǎo)下,研究了如何實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射功率以最大化認(rèn)知用戶的有效容量,并分析了Qos指數(shù)對(duì)功率優(yōu)化控制策略以及認(rèn)知用戶吞吐量的影響。
　　 研究了基于認(rèn)知中繼協(xié)作的頻譜共享機(jī)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(rèn)知中繼協(xié)作的頻譜共享機(jī)制,使得非認(rèn)知的從用戶系統(tǒng)在不需要更新設(shè)備的情況下可以實(shí)現(xiàn)和主用戶系統(tǒng)共享頻譜的目標(biāo)。該頻譜共享機(jī)制充分結(jié)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(shì),使得認(rèn)知中繼在為從用戶創(chuàng)造頻譜接入機(jī)會(huì)的同時(shí),有效減少了對(duì)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(rèn)知中繼協(xié)作對(duì)象的不同,分別給出了該機(jī)制下三種可能存在的傳輸模式。為了實(shí)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(biāo),提出

8、了基于模式切換的機(jī)會(huì)式認(rèn)知中繼策略,并研究了每種模式下從用戶和認(rèn)知中繼的功率聯(lián)合優(yōu)化問題。當(dāng)直傳鏈路不存在時(shí),考慮了更為復(fù)雜的認(rèn)知中繼同時(shí)協(xié)作主從系統(tǒng)傳輸?shù)膯栴}。認(rèn)知中繼首先偵聽來自主用戶和從用戶發(fā)送端的信號(hào),接著分別進(jìn)行譯碼,將主從信號(hào)編碼再生后轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的接收端。當(dāng)認(rèn)知中繼分別采用逐次譯碼和疊加編碼來處理接收信號(hào)和發(fā)送再生信號(hào)時(shí),研究了從用戶發(fā)送端的功率控制以及認(rèn)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(shí)考慮了功率優(yōu)化分配