（信号与信息处理专业论文）认知无线电网络中的中继协作和功率分配算法研究.pdf

y 雾 l i t k 独创性 本人声明所呈交的论文是本人 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 未五 同期：丝! ! ：墨：! 垒 本人签名：舀多j 函一 同期：垒型三二三尘 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：圣! ! ! ! 丕! ! 垒 日期： 2 亚f d ：“ 节 k i 摘要 认知无线电网络中的中继协作和功率分配算法研究 摘要 为了提高频谱的利用率，认知无线电技术备受关注。认知无线电 在频谱上的传输有三种模式：底层模式、顶层模式及交织接入模式。 本文采用交织频谱接入方式，即认知用户只在主用户暂时不用的频段 上进行通信，主用户正在工作的频段对认知用户是禁止的。由于不同 位置处的主用户的业务需求不同及各主用户对频谱使用的随机性，不 同位置的认知用户可获得频谱资源是不同的、不连续的且是随机可变 的。为了满足一定的业务需求，某些认知用户的频谱资源可能是冗余 的，而那些获得少量可用频谱资源的认知用户将是频谱短缺的。这种 频谱资源的不平衡性在认知无线电网络中是非常严重的，但是针对这 种资源不平衡性的研究还很少。本文借助中继协作技术，对认知无线 电网络中的不平衡频谱使用( a u s u ) 和功率分配算法进行了深入的 研究，o 论文主要内容如下： 第一章介绍了本课题的研究背景、意义和论文的基本结构。 第二章对认知无线电技术的定义、关键技术及标准化进展进行了 简要的介绍。 第三章根据各认知用户频谱池之间的不同关系，提出了一种白适 应的不平衡频谱使用算法。为了进一步提高频谱利用率，该算法还考 虑了子带配对技术。然后，在完美信道状态信息条件下，为各认知节 点给出了最优化的功率分配算法。最后，m a t l a b 仿真显示基于本算 法的系统容量得到了很大的提高。 第四章在各认知用户获得的频谱是不确定的、不连续的且认知用 户的发射端对信道状态信息是不完全已知的网络架构下，在保证系统 目标传输速率和误比特率的前提下，提出了一种基于不平衡频谱使用 策略的功率分配算法，以达到系统总消耗功率最小。在一定的近似和 简化后，利用系统历史信道状态信息，系统最小功率消耗问题转化为 一个凸优化问题进行求解。最后，本章对该算法的有效性进行了仿真 北京邮i 也人学顾i ：学位论文 摘要 及结果分析。 第五章总结全文并指出进一步研究方向。 关键词：认知无线电不平衡频谱使用中继协作功率分配凸优化 彳 k | u 北京邮电人学硕j ：学位论文 a b s t r a c t 。 r e s e a r c h0 nc o o p e r a t i o nr e l a ya n dp o w e r a l l o c a t i o ni nc o g n i t i v er a d l 0n e t w o r k s a bs t r a c t t oi m p r o v es p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，c o g n i t i v er a d i o s ( c r s ) h a v er e c e n t l y a t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ti nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e r ea r e t h r e ew e l lk n o w na p p r o a c h e sf o rt h ec o g n i t i v et r a n s m i s s i o n ，n a m e l yt h e o v e r l a y , t h eu n d e r l a ya n dt h ei n t e r w e a v ea p p r o a c h i no u rs t u d y , t h e i n t e r w e a v ea p p r o a c hi sa p p l i e d ，t h a ti s ，s e c o n d a r yu s e r s ( s u s ) t r a n s m i ti n t h es p e c t r u mg a p st h a ta r en o ti nu s eb yp r i m a r yu s e r s ( p u s ) ，w h i l et h e s p e c t r u mp o r t i o n sw h e r et h ep r i m a r ys y s t e mi s a c t i v ea r ep r o h i b i t e df o r c o g n i t i v et r a n s m i s s i o n t h ea v a i l a b l es p e c t r u mf o rs u sw i t h d i f f e r e n t l o c a t i o ni sh e t e r o g e n e o u s ，d i s c o n t i g u o u s ，c h a n g i n gd u et ot h ed y n a m i c t r a f f i cd e m a n d sa n dr a n d o m l ya c c e s s i n gt h es y s t e ms p e c t r u mo fp u s t o s a t i s f yac e r t a i nt r a f f i cd e m a n d ，s o m es u s a r es p e c t r u m a b u n d a n t ，w h i l s t t h o s ew i t hl e s sa v a i l a b l es p e c t r u mw i l lb es p e c t r u m s h o r t t h er e s o u r c e u n b a l a n c ei nc rn e t w o r k si ss e v e r e rt h a ni nt r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s h o w e v e r , t h eu n b a l a n c e ds p e c t r u mu s a g ei nc r n e t w o r k sh a sn o td r a w n m u c ha t t e n t i o nb e f o r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eu n b a l a n c e ds p e c t r u mu s a g e a n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r ea n a l y z e db yu s i n gac o o p e r a t i o nr e l a y i nt h eu n c e r t a i nc o g n i t i v es e t t i n g t h em a i ni s s u e so ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： c h a p t e r1i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fs t u d ya b o u t t h ec o o p e r a t i o nr e l a ya n dp o w e ra l l o c a t i o ni nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k sa n d t h es t r u c t u r eo ft h ed i s s e r t a t i o n c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o n ，k e yt e c h n o l o g i e s a n d s t a n d a r d i z a t i o no f c o g n i t i v er a d i ob r i e f l y i nc h a p t e r3 ，a na d a p t i v eu n b a l a n c e ds p e c t r u mu s a g e ( a u s u ) s c h e m e i sf i r s t l yp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e l a t i o n s h i p so ft h es p e c t r u m i i i 北京邮l 乜人学顾i j 学位论文a b s t r a c t p o o l sb e l o n g i n gt o d i f f e r e n ts u s t of u r t h e re n h a n c et h e s p e c t r u m e f f i c i e n c y , t h es u b c a r r i e rp a i r i n go ft h es p e c t r u mp o o l si sc o n s i d e r e d m o r e o v e r , t h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o np r o b l e mi sf o r m u l a t e du n d e rt h e t o t a lp o w e rc o n s t r a i n tb a s e do nt h ep r e s e n t e ds p e c t m mu s a g es c h e m ea n d p e r f e c t c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e p r o p o s e ds c h e m e i sv e r ye f f e c t i v e i nc h a p t e r4 ，t h ea u s us c h e m eb a s e do nt h ec o o p e r a t i o nr e l a yi s f u r t h e ro p t i m i z e d i nt h eu n c e r t a i ns e t t i n g ，w h e r et h ea v a i l a b l es p e c t r u mo f d i f f e r e n ts u si sc h a n g i n ga n dd i s c o n t i g u o u sa n d ，t h ec s ia tt h es u s t r a n s m i t t e ri si m p e r f e c t ，am i n i m u mp o w e rc o n s u m p t i o na l g o r i t h mb a s e d o nt h ea u s us c h e m ei sp r o p o s e dw h i l et h ee x p e c t e dd a t ar a t ea n dt h e b i t t o e r r o rr a t i o ( b e r ) a r em a i n t a i n e da tad e s i r e dl e v e l w i t hs o m e s i m p l i f i c a t i o n s ，t h ep r o b l e mi s c a s ti n t oac o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e m w h i c hi sa b l et ou s et h e p a s tc s i n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da u s us c h e m ea n dt h em i n i m u mp o w e rc o n s u m p t i o nb a s e do n a u s us c h e m ea r ef e a s i b l ea n dc a no b t a i nr e m a r k a b l ep e r f o r m a n c eg a i n s c h a p t e r5s u m m a r i z e st h ed i s s e r t a t i o na n dp o i n t so u tt h ed i r e c t i o n s f o rf u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ： c o g n i t i v er a d i o ，u n b a l a n c e d s p e c t r u m u s a g e ， c o o p e r a t i o nr e l a y , p o w e ra l l o c a t i o n ，c o n v e xo p t i m i z a t i o n 0 一 f 冬 北京邮l 乜人学硕l j 学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录i 缩略词iii 符号说明i v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 课题研究现状3 1 3 本文研究内容和结构6 第二章认知无线电概述7 2 1 认知无线电定义7 2 2 认知无线电关键技术分析9 2 2 1 频谱感知技术9 2 2 2 频潜分配技术1 3 2 2 3 功率控制1 6 2 3 认知无线电发展现状1 7 2 4 本章小结2 0 第三章完美c s i 条件下的a u s u 和功率分配算法2 1 3 1 系统模型2 l 3 2 自适应不平衡频谱使用2 3 3 3 最优化功率分配2 6 3 3 1 子带配对技术2 6 3 3 2 功率分配问题2 6 3 3 3 最优化功率分配2 7 3 4 仿真结果和分析2 9 3 4 1 仿真模型2 9 3 4 2 结果和分析2 9 3 5 本章小结3 0 第四章不完美c s i 条件下的a u s u 和功率分配算法3 3 4 1 系统模型3 3 北京邮f u 人学硕l j 学位论文日录 4 2 自适应的不平衡频谱使用3 4 4 3 数据传输和问题格式化3 6 4 3 1 数据传输3 6 4 3 2 问题格式化4 0 4 4 问题的解4 1 4 5 仿真结果与分析4 5 4 5 1 仿真模型j 4 5 4 5 2 结果与分析4 6 4 6 本章小结4 8 第五章总结和展望5 0 5 1 全文工作总结5 0 5 2 下一步研究工作的建议5 0 参考文献5 2 致谢5 7 攻读硕士学位期间已发表学术论文5 8 、 彰 - - 北京邮电人学硕1 ：学位论文缩略词 a u s u a f b s c d m a c s i c p e d f f c c i t u i e e e m i m o m r c n c o f d m o f d m r k r l s d r s n r s p t f u h f v h f w r a n w i 瞰 缩略词 a d a p t i v eu n b a l a n c e ds p e c t r u mu s a g e 自适应不平衡频谱使用 a m p l i f ya n df o r w a r d 前向放大 b a s es t a t i o n 基站 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 c o n s u m e rp r e m i s te q u i p m e n t 免授权设备 d e c o d ea n df o r w a r d 前向解码 f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e联邦通信委员会 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s电子电气工程师协会 e n g i n e e r s m u l t i - - i n p u tm u l t i - - o u t p u t m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g n o n - c o n t i g u o u so f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n l a n g u a g e s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s i g n a lt on o i s e r a t i o s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e u l t r ah i g hf r e q u e n c y v e r y h i g hf r e q u e n c y w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s i i i 多输入多输出 最大比合并 不连续正交频分复用 正交频分复用 无线电知识表示语言 软件无线电 信噪比 频谱政策特别工作组 u 频段 v 频段 无线区域网 微波存取全球互通 北京i t t l l l l t 入学硕i ：学位论文 符0 说明 符号类型 变量 矢量 数学期望 数学方差 集合的势 取最小值 取最大值 序列最小值对应的自变量参量 符号说明 字体和说明 小写斜体 小写粗斜体 专 0 d 0 洫 捌 口 a 刚喇h 叫叫 一 北京邮i 乜入学颂l ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 本章介绍了课题的研究背景、意义和发展现状，最后，概述了本文的主要研 究工作及结构安排。 1 1 课题研究背景和意义 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得日益紧张。然而，传统的无线 电频谱分配是以一种静态的授权方式分配给各种通信系统的。这种分配方式比较 简单，但是频谱的利用率非常低。据研究表明，在任一时刻，人们所用到的频谱 只占所有可用频谱的2 - - - 6 1 。f c c 的频谱策略任务工作报告( s p t f ) 显示， 已经分配频谱的利用率在1 5 到8 5 之间波动【2 1 。频谱资源并不是真的匮乏，而是 我们没有一种在满足现行授权频谱用户要求的同时，对频谱访问进行智能管理的 使用技术。在给定的频率、带宽以及受约束的发射功率情况下，大部分通信系统 企图通过调制、编码、多天线及其他技术以实现最大化频谱效率。然而最先进的 系统可以提供的不过接近香农极限容量，却并不能为系统增加额外的可用容量。 无线频谱的匮乏问题并不能通过具有更高频谱效率的通信技术从本质上加以解决。 为了解决目前频谱资源存在的问题，业界和学术界希望能够尽可能提高频谱的利 用率，对频谱访问进行智能的管理。不同予传统的人为静态的频谱分配策略，f c c 提出一种动态自适应的分布式无线频率管理方法动态频谱接入( d y n a m i c s p e c t r u ma c c e s s ，d s a ) 。动态频谱接入以近实时的方式调整频谱资源的使用， 响应不断变化的环境，包括经历和产生的干扰、不断改变的环境或外部约束因素 如频谱、传播、业务政策等和不断变化的无线电状态如运行模式、电池寿命、地 理位置等。通过对频谱的动态接入，灵活地利用可用的无线频谱资源，允许基于 本地应用需求的异构服务的部署，为系统提供更低的时延和更高的吞吐量。作为 一种动态频谱接入技术，认知无线电技术被普遍认为是解决目前无线频谱资源利 用率低问题的最佳解决方案，其核心思想是使无线通信设备具有发现“频谱空洞 并对其进行合理利用的能力，以对其他用户产生尽可能小的干扰代价下，尽可能 利用一切闲置的频谱。 在认知无线电网络中通常有两类用户，一类叫主用户( p r i m a r yu s e r ) ，即授 权用户，他们对频谱的使用具有优先权，另一类叫次级用户( s e c o n d a r yu s e r ) ， 即非授权用户或认知用户，他们需要与主用户实现频谱共享。我们研究认知无线 电的主要目的就是在不对主用户通信产生干扰的情况下，为次级用户提供及时可 北京邮 u 人学硕i ：学位论文 第一章绪论 靠通信，实现次级用户和主用户对频谱的高效共享，提高频谱的利用率。因此， 认知无线电的关键技术可以分为：频谱感知，频谱管理和频谱共享。频谱感知是 实现认知无线电技术的前提；频谱管理是为了更好地实现频谱共享；频谱共享是 认知无线电提出和研究的最终目的。认知用户要想与主用户进行频潜共享，其前 提条件是保证不对主用户的f 常通信造成干扰，而每个次级用户的发射功率是造 成干扰的一个主要原因，因此我们需要考虑和研究适用于认知无线电技术的功率 控制方法。在认知无线电频率共享系统中，当主用户与次级用户共享同一段 频谱工作时，必须首先确保授权用户的正常工作。系统需要预先估计授权系 统可以接受的干扰值，预测引入非授权用户后在授权用户接收机处带来的干 扰，依此来判断是否允许非授权用户的加入。因此在频率共享系统中，干扰 控制措施，即功率控制方式显得极其重要。 功率控制问题并不是一个新的话题，在无线通信领域中，这一直是一个热点 问题和技术核心，例如，在码分多址( c d m a ) 系统中，功率控制被认为是所有关 键技术的核心，可以有效地克服远近效应和多址干扰的影响。然而，在认知无线 电网络中，功率控制问题不仅具有传统功率控制问题的共性，又有其自身独有的 个性。 在现有的传统频率复用蜂窝通信系统中，功率控制是一种以发射机为中 心的方式，基站通过检测上行链路各个用户的信号强度，既可以完成下行的 发射功率控制，也可以通过反馈信道控制移动台上行的发射功率。该方式的 缺点是基站无法解决外来的干扰源对移动台通信质量的影响。而在认知无线 电系统中测量认知用户接入引起的干扰值的过程，实际上是测量大量外来干 扰源的介入影响。因此，传统的以发射机为中心的功率控制方法不再有效， 必须寻求新的干扰功率控制的解决方案。针对这一问题，f c c 提出了一种以 接收机为中心的、接收机与发射机之间交互式的自适应功率控制方式，传统 基站所扮演的角色将很大程度上由分散的接收机来承担。 通过接收机端的干扰温度来量化和管理无线通信环境中的干扰源的机 制即为干扰温度机制【3 】。在干扰温度机制中，干扰温度用来表征认知用户在 共享频段内对授权用户接收机产生的干扰功率和授权接收机处系统噪声功 率之和，类似于热噪声功率可以用等效噪声温度来进行描述：e = k t b ，p 为。 噪声功率，b 为相关的r f 带宽，k 为波尔兹曼常数，r 为热噪声温度，干 扰温度是干扰功率的另一种表示形式【4 j 。 同时设定一个保证授权用户系统正常运行的“干扰温度门限 ，该门限 由授权用户系统能够正常工作的最坏信噪比决定。认知用户作为授权用户的 2 q 北京邮电人学硕十学位论文 第一章绪论 干扰，一旦累积干扰超过了干扰温度门限，授权用户系统就无法正常工作； 反之，可以保证授权用户与认知用户同时正常工作。 干扰温度机制的目的是更好地量化和管理干扰，并在确定的频段上增加 更多的非授权操作。相比以往仅基于发射机操作的简单评估方式，干扰温度 模型基于实际的环境以及发射机与接收机间的交互，考虑了所有干扰源的累 积效应。当某认知用户装置发现自己的发射会导致干扰温度超过门限时，就 选择不同的发射频率，如没有可用频率，则停止发射直到情况允许。因此， 在认知无线电网络进行有效的功率分配算法研究是非常有必要的。 1 2 课题研究现状 认知无线电技术的提出是为了尽可能提高频谱的利用率。要实现认知无线电 技术的两个关键技术是：频谱感知和频谱共享。频谱共享技术是认知无线电技术 的目的，可从频谱分配技术和功率分配两个方面考虑。在认知无线电网络中，系 统频谱可分为三种类型：白色频谱空间， 谱空问是指主用户暂时不用的频谱空间， 黑色频谱空间，灰色频谱空间。白色频 这些频谱对认知用户是无限制的，可以 随意进行分配。黑色频谱空间是指主用户正在使用的频谱段，对于这部分频谱认 知用户是不可亵渎的，主用户对这部分频谱的使用是受到绝对保护的。灰色频谱 空间是指主用户在对该段频谱的使用是不充分的，该段频谱的效率没有最大化， 还可以得到进一步的挖掘。认知用户只要不干扰主用户的正常通信，认知用户可 以接入该段频谱，进而与主用户共存该段频谱。频谱分配技术中分配的频谱主要 是指白色频谱。在每一个通信瞬间，对于一段频谱是否可用是通过认知无线电技 术的另一关键技术频谱感知技术得知的。由于实际的频谱状态是一个动态时变的， 因此希望完全精确无误地感知出每一段频谱的实质状态是不现实的。因此，现在 在认知无线电网络中，对频谱的接入主要有三种框架：架于顶层( o v e r l a y ) ，衬于 底层( u n d e r l a y ) ，交织方式( i n t e r w e a v e ) 5 。架于项层的频谱接入方式是指认知用户 协同主用户传输数据信息，认知用户传输的主用户信息用于完全弥补自己对主用 户传输的干扰。这种方式假设认知用户预先知道主用户发射的信息及信道状态信 息，需要与主用户保持高度的同步。在该框架下，文献 6 】研究了两对用户情况下， 系统可获得的速率。在假设认知用户对主用户不造成干扰及次级用户对主用户编 译码器是透明的限制下，文献【7 】研究了认知用户可达到的系统容量。衬于底层的 频谱接入方式是指在保证认知用户对主用户的干扰不超过干扰温度限前提下，认 知用户可以和主用户共存该频段【8 】，并在平均和峰值功率限情况下，讨论了单个 认知用户可获得平均系统容量问题。文献【9 】研究了在接收功率受限的情况下，认 北京邮l 乜人学硕i ：学位论文第一章绪论 知用户可获得系统容量。文献 1 0 1 2 考虑了认知环境中联合考虑信道分配和功率 分配问题。文献 1 3 】研究了多输入多输出天线情况下，联合考虑波束成型和功率 分配问题。交织方式频谱接入是指认知用户伺机接入可用频谱，即当主用户不存 在时，认知用户接入频谱通信，一旦主用户出现，立刻撤离该段频谱。文献 1 4 】 在保证主用户中断概率不变的情况下，研究了具有完美和不完美衰落信道信息条 件下的机会主义频谱接入方式。在交织方式频谱接入框架下，不同位置的认知用 户将具有可能不同的可用频谱资源。因而高业务要求的认知用户将可能可用的频 谱资源不足，而低业务要求的认知用户可能具有冗余的频谱资源。这种频谱资源 的不平衡性在认知网络中是非常严重的。但是这种不平衡的频谱使用至今很少引 起关注【l 引。文献 1 6 考虑到了认知网络中各认知节点具有不同的可获得频谱资源， 但是文中没有考虑到这种不平衡性，即假设各认知节点的频谱资源都是充足的， 而且没有考虑直传链路传输和功率分配。另一方面，由于主用户对频谱使用的随 机性，认知用户可用频谱资源是随机可变的。在这种可变的带宽条件下，保证认 知用户通信质量的稳定是至关重要的。正交频分多址接入( o f d m ) 技术由于具有 模块性，信号之问是相互正交的，内在频率多样性等优点，在认知无线电网络中 实现资源的有效分配是非常受欢迎的。特别是后两个优点，对于动态地满足系统 的服务质量( q o s ) ，例如，吞吐量和误比特率( b e r ) ，是非常有用的。在文 献【17 中，作者通过自适应调制和功率装载算法确保了系统的q o s 需求。但是，文 献中的资源分配问题是建立在系统传输的频谱是固定可获得的基础之上的。因此， 该算法不能直接应用到动态不连续的多载波系统m c o f d m ) t 1 8 】中。在联合考虑不 完美信道状态信息和系统可获得频谱资源可变的情况下，文献 1 9 】提出了一种确 保系统q o s 需求的资源分配算法。但是，文献中潜在地假设了为了满足业务需求， 各认知用户可获得频谱资源是充裕的。 当主用户的干扰温度限比较苛刻时，认知用户允许的发射功率就会很低，在 有限的可用频谱资源条件下，认知用户的数据传输速率很难达到要求。 多输入多输出( m i m o ) 是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模 型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收 并恢复原信息。由于m i m o 可以在不需要增加频宽或总的发射功率损耗( t r a n s m i t p o w e re x p e n d i t u r e ) 的情沉下大幅地增加系统的吞吐量及传送距离，此技术最近备 受瞩目。m i m o 的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供的空问自 由度来有效提升无线通信的频谱效率，以提升传输速率并改善通信品质。 虽然m i m o 技术可以在不占用额外的传输时间和带宽情况下充分利用天线发 射分集、接收分集，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性，但是 m i m o 系统的技术优势在于它互不相关的路径衰落特性，要想得以实现需要保证 4 北京邮电人学硕f ：学位论义笫一章绪论 各个天线单元在空间上的距离足够大；另一方面，m i m o 系统的容量增益是建立 在增加发射天线和接收天线数目为代价的基础之上的。因此，采用m i m o 技术， 必将增加设备成本，而且对于接收端来说，安装多根天线是不现实的，违背了移 动终端轻、小、薄的初衷。因此，考虑在多用户环境中，多个单天线用户共享彼 此的天线，形成一个虚拟m i m o 系统，从而获得发分集增益，提高数据传输速率。 文献 2 0 1 通过引入中继协作用户，提高了认知系统的吞吐量。 通过中继协作，一方面由于多跳传输可以克服无线信道的衰落特性，引入路 径传输增益，另一方面以网络终端间的协作传输可以获取天线分集增益，从而有 效地满足移动通信对大范围内高数据速率业务的覆盖要求，可以进一步提高无线 通信的可靠性和系统的鲁棒性。此外，在认知无线电网络中，由于不同位置的认 知用户具有不同的可用频谱资源，中继协作还可以提供频谱多样性增益【l5 1 。 中继协作传输技术不仅支持信源与信宿之间的直接通信，而且可以通过引入 一个或者多个中继节点，使得信源发出的信息符号还可以经由各个中继节点在一 定的处理方式后转发到信宿端。通过中继节点的跳转方式，可以绕开阻碍电波传 输的建筑物、植被等障碍物，在一定程度上克服了大尺度衰落的影响，减少了收 发射终端的路径损耗，从而可以降低设备的发射功率，即可以抑制系统的干扰并 提高信号的信噪比( s n r ) 。此外，在信宿端，接收机可以根据不同的合并方式对 来自不同的发射节点( 信源发射机或者不同中继节点的发射机) 的信号进行接收 处理。因此，中继协作传输方式还可以很好地抵抗信道上小尺度衰落的影响，可 以在一定程度上改善信号的传输环境，获得不同的分集增益。因此，在增大网络 覆盖范围、充分利用带宽、功率等无线资源、提高系统容量等方面，中继协作传 输方式具有不可比拟的优越性。 根据中继节点对接收信号的处理方式的不同，中继协作传输方案可分为非再 生中继、再生中继和选择中继三种。非再生中继方式又称为放大重传方式( a f ) ， 即中继节点对接收到的信号进行简单放大后直接转发到目的节点；再生中继方式 也称译码重传方式( d f ) ，即中继节点先从接收到的信号中解码获得原始信息， 然后将该信息重新进行编码再转发至目的节点；选择中继方式是指在a f 和d f 两 种中继协作方式间实现自适应转换的中继传输方案。当系统工作在非再生模式时， 中继节点直接将接收到的衰落信号进行功率放大，然后进行重传而不做任何解码 处理，信号最终在信宿端进行译码并恢复出原始信息。显然，中继器在对信号放 大的同时也放大了上一跳传输过程中引入的噪声，在信宿端进行译码时，这部分 放大的噪声将与信宿端接收机的噪声一起影响最终的译码性能，也就是说，中继 器附带了传递噪声的消极作用。因此，中继器的功率放大因子需要进行一定的控 制。对于再生中继模式，中继器不会将本身的噪声传递到信宿端，但是由于上一 北京邮i 乜人学硕i j 学位论文第一章绪论 跳信道衰落和自身噪声的影响，中继器在译码信源端发送过来的信号时可能产生 译码错误，从而将译码误差传递到信宿端。因此，整个系统的性能将由各跳解码 性能共同决定的。 根据系统中参与通信的中继节点和天线数目的不同，可以将中继协同传输方 式分为单中继协作传输和虚拟多天线协作传输。本文主要考虑单中继协作传输， 即系统中只有一个中继节点参与通信且各节点采用的是单发射单接收天线。 1 3 本文研究内容和结构 在大量阅读国内外文献基础上，对认知无线电技术的关键技术进行了分析和 总结。根据认知无线电网络中频谱的独有特点不平衡性，研究设计了基于中 继协作的不平衡频谱使用算法( a u s u ) 。基于提出的不平衡频谱使用方式，在完美 和不完美信道条件下，对系统进行优化建模，研究了最优化的功率分配算法。 本文后续章节安排如下： 第二章对认知无线电的定义和功能进行了简单介绍，并阐述了认知无线电的 关键技术，标准化概况及其应用发展。 第三章在完美信道条件下，通过对认知网络中认知用户频谱资源之间的关系 进行分析，提出不平衡频谱使用方式和功率分配算法，并给出算法性能仿真结果 比较和分析。 第四章考虑不完美信道条件下，优化不平衡频谱使用算法，利用凸优化理论 对系统功率分配问题进行分析和求解，并给出算法性能仿真结果和分析。 第五章全文工作总结和未来工作展望。 6 北京邮i 乜人学硕l ：学位论文 第- 二章认知无线电概述 第二章认知无线电概述 本章对认知无线电的定义和功能进行了简单介绍，并阐述了认知无线电的 关键技术，标准化概况及其应用发展。 2 1 认知无线电定义 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) t 2 1 】【2 2 】的概念最早是由约瑟夫米托拉( j o s e p h m i t o l a ) 博士于1 9 9 9 年8 月在i e e ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s 杂志上首次提出的。 m i t o l a 博士指出认知无线电是对软件无线电( s d r ) 的进一步扩展，它是在无线 电域用基于模型的方法对控制无线电频谱使用的规则( 如r f 频段、协议、空中接 口以及空间和时间模式等) 进行推理，进而借助无线电知识表示语言( r k r l ) 对无 线电规则、软件模块、设备、电波传播特性、网络、用户需求和应用场景进行描 述，从而增强个人业务的灵活性，使软件无线电更好地满足用户需求。 m i t o l a 的认知无线电给可以表示为如图2 1 所示的认知圈( c o g n i t i v ec y c l e ) 模型，它是一个主要在应用层，以通信前后环境和定位为基础的认知圈。在该认 知圈模型中，认知用户( s e c o n d a r yu s e r ) 首先自发地观察( o b s e r v e s ) 无线通信环 境，建立用户优先级( o r i e n t ) ，然后根据学 - - - j ( l e a m ) 乖i 评估( p l a n ) 选择认知用户， 并决定( d e c i d e ) 认知用户占用频谱资源的范围和时间，最后在指定频谱范围的指定 图2 1m i t o l a 的认知圈 时间内进行运行( a c t ) ，同时还需执行监控通信服务，从错误中进行学习等系统任 7 北京邮l 乜人学硕i j 学位论义 第_ 二章认知无线 l l 概述 务，这种观察一思考一行动的循环从根本上有别于当前通信终端只能在用户设定 的频率上交换数据和执行网络指令的概念【2 3 1 。 对于认知无线电的定义，在研究过程中有很多演绎，其中最具代表的有如下 几种： s i m o nh a y k i n ：认知无线电是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环 境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 如 传输功率、载波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应外部环境的变化， 以达到如下两个目的：任何时间任何地点的高度可靠通信，对频谱资 源有效利用； f c c ：认知无线电是能够基于与其工作环境的交互并改变发射机参数的无 线电。认知无线电的主体可能是软件无线电，但对认知无线电设备而言， 不一定必须具有软件或者现场可编程的要求； i e e e l 9 0 0 1w g ：认知无线电是一种可以对其工作的外部环境进行感知、 自主推理并进行相应参数调整的无线电。这种无线电可以利用知识表示、 自动推理和机器学习机制建立、开展或者终止与其他无线电的通信或网络 功能。认知无线电可以通过训练实现动态自主的工作参数调整【2 4 1 ； i t u w p 8 a - 认知无线电是一种能够感知其工作的外部环境并根据这些知 识动态自主地进行相应的无线电传输参数调整的无线电或者系统。 本文更倾向于采用s i m o nh a y k i n 给出的定义，即认为认知无线电是一个“可 发射机部分 接收机部分 图2 2s i m o nh a y k i n 定义的认知无线电的基本构成形式和组成部分 以感知外部无线环境并相应地改变其频谱使用方式的系统”。认知用户借助认知无 北京邮电人学硕i ：学位论文第二章认知无线i 乜概述 线电技术主动搜索频谱以寻找可用的频谱空洞，然后利用这些频谱空洞进行有效 的通信；在通信过程中实时动态进行传输参数控制，避免与主用户形成干扰。认 知无线电的主要任务包括无线频谱分析、信道识别、发射功率控制和动态频谱资 源管理。通常前两项任务由接收机完成，最后的任务由发射机完成，这三个任务 就形成了一个认知过程。图2 2 是s i m o nh a y k i n 定义的认知无线电的基本构成形 式和组成部分。通过这几个部分的有机结合，便形成一个完整的认知周期，即根 据r f 探测、分析，快速信道估计，动态分配空闲信道，以及信道状态选择合适 的调制方式、传输速率、发射频率等。 2 2 认知无线电关键技术分析 2 2 1 频谱感知技术 频谱感知技术是认知无线电技术要想得以成功运用的前提和基础。认知用户 务必首先准确地判断自己所处环境中频谱的使用情况，才能进而采取有效的策略 使用该段频谱或者撤离该段