带有感知信息的认知无线电的分析

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义
从无线通信技术的发展过程来看，无线网络是从早期的窄带低速分布式广域网到现今的蜂窝式移动通信网络。随着无线技术的发展和无线用户数量的不断增加，人们对无线网络的研究缩小到几米甚至是更小的范围。用户数量的增加以及高的带宽需求，使得本来就有限的可用频谱越来越紧张。通过采用空间频分复用或者频谱共享等措施提高频谱的利用率，才能从根本上改善这样的局面。另外泛在无线网络[1]的出现使得每一种无线设备都不可能完全与其周围的无线设备隔离，只有这些用户之间实现协同合作才能使每种无线设备的潜能都发挥出来[2]。
近年来，国内外学者广泛开展了认知无线电(CR, Cognitive Radio)以及合作通信网络等方面的研究，以实现未来智能化无线移动通信网。无线通信的媒介是频谱资源，可以分成两部分。一部分是授权频谱，即分配给广播电视、军事、医疗等专用的频段；另一部分是非授权频谱，即可由无线设备任意接入的频段。然而随着无线设备的日益增多，非授权频谱非常拥挤，而授权频谱的利用率并不是很高。这是由于授权用户的接入时间都比较集中，导致授权频谱出现很多的空闲时段即“频谱空穴[3]”。认知无线电技术以动态频谱访问为出发点，通过利用这些“频谱空穴”来提高无线频谱的使用效率。对认知无线电技术的研究包括频谱检测、频谱管理和频谱共享等方面。其中，有效的资源分配算法对频谱利用率的提升以及认知无线电技术付诸实践有着非常重要的作用。另外，将协同合作的思想引入到认知无线电的研究当中，可以进一步的提高网络资源利用率，扩大网络覆盖范围，充分发挥各种无线设备的功效。当然，认知用户对空闲频谱的利用，需要以频谱的感知为基础，只有获得对频谱准确的感知信息才能在有效利用空闲频谱的同时减小或者避免对授权用户的干扰。因此，研究基于感知信息的资源分配算法对认知无线电技术研究具有重要的理论意义。

1.2 研究现状
认知无线电自 1999 年由 Joseph Mitolo 博士提出至今，引起了社会各界的广泛关注，从理论到实际应用都有了很大的突破和发展。国际电联专门成立工作组对认知无线电技术进行研究。世界上第一个以认知无线电技术为基础的空中接口标准化组织 IEEE 802.22 工作组于 2004 年 11月成立，其主要目的是利用认知无线电的相关技术将固定的分配给广播电视的VHF/UHF 频带中的空闲时段用作一般的宽带接入[4]。IEEE 也专门组织了 IEEECrownCom 和 IEEE DySPAN 两个年会来交流认知无线电研究方面的成果。近年来，中国通信标准化协会也在研究和制定相关的频谱政策，国内各大高校和研究机构正在逐步开展无线频谱管理以及相关技术的研究。在这些组织和项目的共同影响和推动下，认知无线电技术在基础理论以及标准化实现等方面取得了丰富的理论和应用成果[5]。下面结合本文的研究方向分析认知无线电网络资源分配方面的研究现状。
1.2.1 认知无线电网络资源分配
根据国际电联对认知无线电网络的定义可知认知无线电网络具有以下的功能：允许网络中用户获取周围环境的信息、网络内部的信息以及网络已经形成的通信策略；根据这些信息，网络可以对其内部参数和协议进行适时动态的调整以达到预定的要求，并且可以根据结果进行自我学习[6]。以上各功能的实现都需要有效的资源分配算法为前提。认知无线电系统资源分配算法一方面最小化对授权用户的干扰，另一方面保证认知用户的服务质量。文献[7]以最大化认知用户的信噪比和信道容量为目标，提出了基于软感知信息的认知无线网络的功率控制算法，获得了最优的功率分配策略。文献[8]分析认知无线电网络中的频谱感知误差对网络中用户通信的影响，提出了频谱感知与信道访问联合设计的机制。文献[9]则将认知无线电网络中的动态频谱访问过程建模成连续时间的马尔可夫模型，提出了随机访问协议。文献[10]考虑的是认知无线电网络垂直共享方式下的功率控制问题，将认知用户传输功率对频谱接入机会和机会检测可靠性的影响进行量化，得出了频谱机会概率的变化规律。文献[11]考虑包含一个认知用户多个授权用户的多信道的认知无线电网络，针对时延敏感网络，将认知用户的数据包分配到符合非延迟约束的一部分信道上。
上述几篇文献侧重考虑无冲突分配及最大化频谱利用率问题，忽略了不同用户的服务质量需求，以及资源分配的公平性。针对这一问题，文献[12]将图模型与频谱质量分级方法相结合，提出了面向用户需求的频谱分配算法。而文献[13]根据每个节点的速率和需求构造目标函数，设计了网络资源分配算法，实现了节点之间资源分配的比例公平性。

    1.3 本文研究动机 1..................4-16
        1.3.1 基于感知信息的认知无线电网络资源分配 .........15
        1.3.2 带有感知信息的认知合作中继网络资源分配 ...........15-16
    1.4 本文结构安排 ..................16-17
第2章 基于感知信息的认知无线电网络频谱调度 ..................17-29
    2.1 引言 ..................17
    2.2 频谱感知模型 ..................17-19
    2.3 载带调度模型及算法实现 ..................19-21
        2.3.1 载带调度模型 ..................19-21
        2.3.2 载带调度算法实现 ..................21
    2.4 网络性能分析 ..................21-23
    2.5 数值仿真 ..................23-28
    2.6 本章小结 ..................28-29
第3章 基于 OFDMA 的认知无线电网络功率与载带协同分配 ..........29-38
    3.1 引言 ..................29
    3.2 认知无线电网络模型 ..................29-31
    3.3 优化问题的描述与求解 ..................31-35
        3.3.1 认知用户网络吞吐量 ..................31-32
        3.3.2 资源分配问题 ..................32-33
        3.3.3 功率与子载带协同分配算法 ..................33-35
        3.3.4 算法实现 ..................35
    3.4 数值算例 ..................35-37
    3.5 本章小结 ..................37-38
第4章 带有感知信息的认知无线网络用户合作 ..................38-51
    4.1 引言 ..................38-39
    4.2 基于感知的认知中继网络模型 ..................39-43
    4.3 认知中继网络中的功率分配 ..................43-46
        4.3.1 优化问题的描述 ..................43-44
        4.3.2 最优的功率分配 ..................44-46
        4.3.3 算法实现过程 ..................46
    4.4 感知信息对资源分配的影响 ..................46-47
    4.5 数值仿真 ..................47-50
    4.6 本章小结 ..................50-51

结 论

在无线通信技术飞速发展的今天，认知无线电技术在解决用户数量大、需求高与可用频谱拥挤之间矛盾的过程中起到了重要的作用。能否合理有效的利用资源、均衡网络吞吐量的分配是制约这项技术发展的重要因素之一。另外，大范围的无线覆盖是未来无线通信的发展趋势，也是认知无线电技术面临的挑战，因此合作认知无线电网络是发展的必然。本文针对目前认知无线电网络资源分配研究的热点问题，主要做了以下三方面的研究工作：
(1)考虑认知用户自身吞吐量需求以及对资源分配公平性的要求，提出了一种基于载带可用置信度和认知用户需求的载带调度机制。该机制根据认知用户的最小吞吐量需求直接给用户分配载带，避免了将置信度较高的载带都分配给同一个用户。通过对网络的性能参数进行分析和仿真对比，可知该机制相比以往载带随机调度的算法较易实现，既满足了用户的需求，又均衡了网络中各用户获得的吞吐量。
(2)针对已有的频谱感知与频谱调度联合跨层优化算法中存在的吞吐量受限的问题，将认知网络用户的吞吐量分成两部分构造，使得当授权用户存在时，认知用户以一个固定的小于干扰温度阈值的功率进行传输。并通过求解功率与载带协同分配的优化问题，得到了最优的资源分配策略。仿真结果表明，网络的吞吐量得到了明显的提升。