發(fā)布時(shí)間：2018-02-23 03:08

  本文關(guān)鍵詞： 協(xié)同認(rèn)知無(wú)線電 資源分配 中繼節(jié)點(diǎn)選擇 頻譜租借 子載波分 配 功率分配　出處：《國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著通信技術(shù)的發(fā)展,頻譜資源日益緊張,認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是一種提高頻譜利用效率的有效方法。認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)和頻譜共享技術(shù)已經(jīng)得到了很深入的研究,未來(lái)的應(yīng)用必將影響通信技術(shù)的發(fā)展。協(xié)同通信技術(shù)能大大提高通信系統(tǒng)的覆蓋范圍,改善通信質(zhì)量。將協(xié)同通信技術(shù)引入認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)是一種嶄新的研究思路,兩者的結(jié)合會(huì)進(jìn)一步提升頻譜使用效率,勢(shì)必帶來(lái)頻譜資源管理的新問(wèn)題和新方法。本文以協(xié)同認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(Cooperative Cognitive Radio Networks, C-CRN)為背景,研究了基于協(xié)同通信技術(shù)的頻譜租借和認(rèn)知無(wú)線頻譜資源分配算法。論文主要研究工作如下：首先,在單主用戶單認(rèn)知用戶1 C-CRN中,基于傳統(tǒng)解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)協(xié)同傳輸策略構(gòu)建了2種新的認(rèn)知協(xié)同中繼模型；其中,認(rèn)知用戶的目標(biāo)是最大化自身傳輸速率,同時(shí)不影響主用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS),即保證主用戶的傳輸速率。該模型引入了主用戶和認(rèn)知用戶之間的協(xié)作,其中認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)可以作為主用戶的中繼節(jié)點(diǎn),幫助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),作為回報(bào),認(rèn)知用戶可以獲得主用戶頻譜的使用權(quán)。論文詳細(xì)推導(dǎo)給出了主用戶和認(rèn)知用戶的協(xié)同條件,給出了最佳頻譜資源分配算法,并通過(guò)仿真,比較了兩種模型的性能。同時(shí),在單主用戶多認(rèn)知用戶C-CRN中,提出了一種基于DF策略的3段時(shí)隙劃分的多中繼擇機(jī)協(xié)同協(xié)議,多個(gè)認(rèn)知用戶競(jìng)爭(zhēng)接入主用戶的授權(quán)信道,論文分析了認(rèn)知系統(tǒng)的中斷性能,并提出了一種能最大化認(rèn)知用戶傳輸速率的最佳中繼選擇策略。其次,針對(duì)頻譜拍賣市場(chǎng),開展協(xié)同頻譜租借(Cooperative Spectrum Leasing,CSL)研究。論文在考慮實(shí)際通信系統(tǒng)中,主用戶具有自私性,認(rèn)知用戶需要向主用戶付出一定的代價(jià),才可能獲取頻譜使用權(quán)。論文首先建立了單個(gè)主用戶和單個(gè)認(rèn)知用戶之間頻譜租借和協(xié)同通信模型,提出了一種協(xié)同頻譜租借算法。采用Stackelberg博弈,經(jīng)過(guò)詳細(xì)推導(dǎo),給出了最優(yōu)頻譜租借定價(jià)和最佳資源分配算法。進(jìn)而,論文研究了多主用戶多認(rèn)知用戶C-CRN中的頻譜租借和資源分配問(wèn)題,將復(fù)雜的資源分配最優(yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)耦合的子問(wèn)題,依據(jù)單主用戶和單認(rèn)知用戶的研究成果,采用匈牙利算法(Hungarian Method)解決了最佳中繼選擇和最優(yōu)頻譜租借問(wèn)題。該模型能有效的保證主用戶的通信質(zhì)量,并且給主用戶帶來(lái)巨大收益,同時(shí)認(rèn)知用戶也獲得了頻譜使用機(jī)會(huì)。再者,針對(duì)單主用戶多認(rèn)知用戶C-CRN,論文提出了一種基于空時(shí)碼的協(xié)同中繼認(rèn)知傳輸模型,分別給出了主用戶和認(rèn)知用戶的效能函數(shù),主用戶的效能主要來(lái)自自身能量節(jié)省以及租借給認(rèn)知用戶頻譜獲得的收益；而認(rèn)知用戶的效能與自身的傳輸速率成正比。在保證主用戶數(shù)據(jù)率條件下,考慮認(rèn)知用戶的公平性,分配給認(rèn)知用戶的頻譜與認(rèn)知用戶協(xié)助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的貢獻(xiàn)相關(guān)。然后,通過(guò)Stackelberg博弈論對(duì)該傳輸模型進(jìn)行了分析,證明了其存在唯一的納什均衡,給出了認(rèn)知用戶的支付報(bào)酬策略。以最大化主用戶效能為目標(biāo),提出了一個(gè)次優(yōu)的低復(fù)雜度協(xié)同中繼選擇策略,通過(guò)仿真證明了該策略的可行性與有效性。最后,論文針對(duì)多主用戶多認(rèn)知用戶的基于OFDM的C-CRN中的兩類資源分配問(wèn)題進(jìn)行了深入研究：認(rèn)知用戶之間存在協(xié)作時(shí)的C-CRN的資源分配,以及主用戶和認(rèn)知用戶之間存在協(xié)作時(shí)的C-CRN資源分配。資源分配主要圍繞子載波分配,中繼選擇和功率控制展開。針對(duì)第一種C-CRN,論文先提出了一種基于AF的雙向中繼策略,以最大化認(rèn)知用戶發(fā)射對(duì)的總的傳輸速率為目標(biāo),同時(shí)不對(duì)主用戶造成過(guò)度干擾,推導(dǎo)給出了一種次優(yōu)的功率調(diào)整和子載波分配算法。然后,研究了在一個(gè)一般化的多用戶共存的OFDM系統(tǒng)中的資源分配問(wèn)題,認(rèn)知用戶采用協(xié)同中繼策略接入主用戶的頻譜資源而不對(duì)主用戶造成過(guò)多的干擾。通過(guò)將主用戶對(duì)認(rèn)知用戶產(chǎn)生的干擾當(dāng)做背景噪聲,將3節(jié)點(diǎn)的解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同模型轉(zhuǎn)換為一個(gè)2節(jié)點(diǎn)的直傳鏈路,并得到源到目的等效信道增益。在得到等效信道增益后,由此可知系統(tǒng)中每增加1比特?cái)?shù)據(jù)速率需要的功率消耗,以及會(huì)對(duì)接入信道的特定主用戶的產(chǎn)生的干擾,考慮主用戶的干擾門限和系統(tǒng)的總功率消耗,定義了效率空間去表征認(rèn)知用戶之間信道條件的優(yōu)劣,并將子載波分配給具有最好信道條件的認(rèn)知用戶。據(jù)此,在保證對(duì)主用戶的干擾不超過(guò)其干擾門限值的前提下,為了最大化認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率,文中提出了一種低復(fù)雜度的聯(lián)合中繼選擇和子載波分配,以及功率分配算法。仿真結(jié)果表明,提出的算法相對(duì)于純協(xié)同算法、最小功率算法和最小干擾算法具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。針對(duì)第二種C-CRN,論文構(gòu)建了多用戶OFDM系統(tǒng)中一種新的主用戶和認(rèn)知用戶協(xié)作模型,認(rèn)知用戶在保證主用戶QoS的情況下,作為主用戶的中繼節(jié)點(diǎn),幫助主用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),作為回報(bào),認(rèn)知用戶可以在時(shí)間和頻率空間上接入主用戶的頻譜。認(rèn)知用戶在整個(gè)協(xié)同通信過(guò)程中,并不會(huì)影響主用戶的信息傳輸,并且主用戶網(wǎng)絡(luò)不需要針對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)做出發(fā)射功率和子載波分配上的調(diào)整,即該算法對(duì)主用戶網(wǎng)絡(luò)本身的構(gòu)架運(yùn)行影響很小。文章分析推導(dǎo)了認(rèn)知用戶速率最優(yōu)化問(wèn)題,將其分解為功率分配和中繼選擇兩個(gè)子問(wèn)題,并分別采用迭代注水算法和匈牙利算法求解。仿真結(jié)果表明,文中提出的算法不僅能夠最大化認(rèn)知用戶的速率,而且可以在保證主用戶傳輸速率的情況下,減少主用戶的能量消耗,為主用戶和認(rèn)知用戶同時(shí)帶來(lái)性能上的提升。
[Abstract]:With the development of communication technology , spectrum resources are increasingly tense , cognitive radio technology is an effective way to improve spectrum utilization efficiency . The cognitive radio ' s spectrum sensing technology and spectrum sharing technology have been studied deeply . This paper studies the problem of spectrum lease and resource allocation in multi - cognitive user C - CRN , and decomposes the complex resource allocation optimization problem into two coupled sub - problems . A cognitive user can access the spectrum of the main user in time and frequency space as the relay node of the main user . The cognitive user can access the spectrum of the main user in time and frequency space . The cognitive user does not influence the information transmission of the main user in the whole cooperative communication process , and the main user network does not need to make the transmission power and the subcarrier allocation adjustment for the cognitive network .

【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN925

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