（通信与信息系统专业论文）认知中继系统协作传输方案及性能分析.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 下一代移动通信系统对频谱利用率和传输效率提出了更高的要求。认知无线 电是现代无线通信的一种新模式，认知无线电是一个智能无线通信系统，它可以 感知周围的无线电环境，通过对环境的理解主动学习并调整内部无线电参数( 如功 率、发射频率、调制编码方案等) ，以更好的适应外部的环境变化。认知用户可以 通过机会接入的方式利用空闲频谱，这样可以大大提高系统有限频谱的利用率。 协作中继通信技术被认为是目前最有效的提高传输速率和网络覆盖的方法。在无 线认知通信环境中引入协作中继技术，认知用户可以先将信息发送给认知中继节 点，然后通过中继转发将信息传递给目的接收端。若认知中继节点在传送信息时 对主用户的干扰相对较小，则其在转发信息时就可以使用较少的功率来抵消干扰， 将更多的剩余能量用于转发来自认知用户源节点的信息。此外，在使用相同的发 射功率时，利用中继节点转发信息可以降低认知用户的中断概率，提高系统总的 传送速率。如果认知用户采用固定的传送速率，认知中继技术可以降低系统总的 功率消耗。在认知用户能量受限的情况下，采用中继转发技术不但可以平衡认知 用户之间的能量消耗，还可以解决因个别节点能源枯竭造成的系统失效问题。认 知中继系统结合了认知无线电技术和协作中继技术的优点，对于在有限频谱资源 情况下提高系统性能有着重要意义。 本文首先考虑了主用户干扰受限情况下，认知中继系统的最优化功率控制策 略，并对此策略下系统的最小化中断概率进行了分析。然后，针对存在信道估计 误差的情况，建立了贴近于实际的非理想信道状态信息下认知中继系统的数学模 型并分析了非理想信道状态信息下认知中继系统的性能。推导出了非理想信道状 态信息下认知中继系统中断概率的表达式。同时通过数值仿真比较了不同信道状 态信息下系统的中断概率。理论分析表明在非理想信道状态信息下认知中继系统 的性能较理想状态有所下降，但更符合实际情况。源节点在信道估计阶段分别向 中继节点和目的节点发送探测信号，中继节点向目的节点发送探测信号来对各节 点之间无线信道的信道状态进行估计。由于在实际情况中无线信道存在多种衰落 和各种干扰，接收端反馈的信道状态信息往往是有限的并且是存在误差的。所以 由实际情况推出的系统中断概率更具有实际应用价值。 最后就认知中继系统中存在小区间干扰的情况，对基于最佳中继选择策略的 认知中继传输方案进行了研究，推导了该方案的系统中断概率，并与目前存在的 比较典型的传统中继选择方案进行了比较。在此方案中，本文以最大化系统容量 i 重庆邮电大学硕士论文 摘要 为目标，选择具有最大端到端s i n r 的认知中继节点转发信息，认知用户接收端在 考虑直传时采用最大比合并( m r c ) 策略将直传和认知中继转发信号进行合并， 利用分集增益有效地提高了系统容量和降低了系统的中断概率。仿真结果表明， 在无线瑞利信道环境中，在保证相邻小区用户正常通信的情况下利用认知中继转 发目标基站信息可以有效地降低该小区用户的中断概率，此外与随机中继选择方 案和基于瞬间信道状态信息( c s i ) 的中继选择方案相比，本文所研究的中继选择 方案能够取得更高的系统信噪比增益。 关键词：认知无线电，协作中继，中断概率，s i n r ，小区间干扰 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o p o s e sah i g h e rr e q u i r e m e n to f e f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o na n ds p e c t m mu t i l i z a t i o n c o g n i t i v er a d i oi s an e wm o d eo f m o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；c o g n i t i v eu s e r sc a na c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb y u s i n gt h es p e c t r u mh o l e s ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft h e l i m i t e d s p e c t r u m c o o p e r a t i v er e l a yc o m m u n i c a t i o ni s c o n s i d e r e dt ob et h em o s te f f e c t i v e i m p r o v e m e n t st h a tc a na l h a n c et h e r a t ea n dc o v e r a g eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m c o g n i t i v er e l a ys y s t e mc o m b i n e sb o t ht h ea d v a n t a g e so fc o g n i t i v er a d i oa n d c o o p e r a t i v er e l a y f o rt h e l i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e s ，c o g n i t i v er e l a yh a sag r e a t s i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y t h i sa r t i c l em a i n l ya n a l y s i sa n d r e s e a r c hc o g n i t i v er e l a yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t y sp e r f o r m a n c eu n d e r c i r c u m s t a n c e s ( d i f f e r e n tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n di n t e r f e r e n c e ) ，a n dd i s c u s st h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to fc o g n i t i v er e l a yt e c h n o l o g y a tf n s t ，t h i sp a p e rc o n s i d e r sc o g n i t i v er e l a ys y s t e m so p t i m i z ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g y w h e nt h ep r i m a r yu s e rp o w e ri n t e r f e r e n c ei sl i m i t e d ，a n da n a l y s i st h em i n i m i z es y s t e m o u t a g ep r o b a b i l i t y t h e n , f o rt h ep r e s e n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r , t h i sp a p e r e s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lo fn o n - i d e a lc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nc o g n i t i v er e l a y s y s t e m ，w h i c hi s c l o s et ot h ep r a c t i c ee n v i r o n m e n t ，d e r i v e dc o g n i t i v er e l a ys y s t e m o u t a g ep r o b a b i l i t ye x p r e s s i o nu n d e rn o n i d e a lc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n da n a l y s e s c o g n i t i v er e l a ys y s t e m sp e r f o r m a n c e t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w s t h a tn o n - i d e a lc h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o nc o g n i t i v er e l a ys y s t e mp e r f o r m a n c ei sm u c hl e s st h a ni d e a l ，b u tm o r e r e a l i s t i c b e s i d e s ，w ed on u m e r i c a ls y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t ys i m u l a t e su n d e rt h e d i f f e r e n tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n o nt h es t a g eo ft h ec h a n n e ls t a t em e a s u r e m e n t ， s o u r c en o d es e n tt e s ts i g n a lt ot h er e l a ya n dd e s t i n a t i o nn o d ea n dr e l a yn o d et ot h e d e s t i n a t i o nn o d et oo b t a i nt h ep a r t i a lc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nb e t w e e n st h es o u r c e n o d et ot h er e l a y , t h es o u r c en o d et od e s t i n a t i o nn o d e i nr e a l i t y , b e c a u s eo f t h ed e c l i n e o fr a d i oc h a n n e l ，a n di n t e r f e r e n c e ，t h er e c e i v e r sf e e d b a c ko fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n i so f t e nl i m i t e da n ds o r to fe r r o r s oc o n s i d e r a t i o nt h es y s t e mu n d e rp r a c t i c e e n v i r o n m e n ti sm o r ec o n v i n c i n g f i n a l l y , ac o g n i t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m ew i t ht h eb e s tr e l a ys e l e c t i o nb a s e di n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c ei sp r o p o s e df o rc o g n i t i v e r e l a yn e t w o r k st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f s e c o n d a r yt r a n s m i s s i o n sw h i l ee n s u r i n gt h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o fp r i m a r y 重壅坚皇盔堂堡主笙文a b s 仃a c t 一一 ： t r a n s m i s s i o n s ，a n dd c d u c e dt h es y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t y i nt h i ss c e n a r i o ，t h e r ea r ea n u m b e ro fc o g n i t i v er e l a yn o d e so nt h ee d g eo fac e l l h e r e ，ac o g n i t i v e s p e c t r u m s e n s i n gr e l a yi sw h i c hc a l lf o r w a r di n f o r m a t i o nb yd e t e c t i n ga n du s i n gt h ef r e es p e c t r u m b e 觚e e nb a s es t a t i o na n du s e r s i nt h ec o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，r e l a ya n du s e rr e c e i v e t h ed e s i r e ds i g n a lf r o mt h e t a r g e tb a s es t a t i o na n di n t e r - c e l li n t e r f e r e n c es i g n a lf r o m b a s es t a t i o ni nt h ea d j a c e n tc e l l f o ri n t e r f e r e n c el i m i t e du s e r , i fc o o p e r a f i v er e l a y c o m m u n i c a t i o ni sn e e d e d ，t h ec o g n i t i v er e l a yn o d e si nt h i sc e l lw i l lb e g i nt e s t i n gf r e e s p e c t r u m t h e ns y s t e mw i l ls e l e c tt h em a x i m u me n d t o e n ds i n rc o g n i t i v er e l a yn o d e a m o n ga l lt h ea v a i l a b l er e l a yn o d e st or e c e i v ea n dt r a n s m i ti n f o r m a t i o nt o t h eu s e r t h r o u g ht h ed fm o d eb yu s i n gf r e es p e c t r u m k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，c o o p e r a t i v er e l a y , o u t a g ep r o b a b i l i t y , i n t e r - c e l l 妇e r f e r e n c e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n i v 重庆邮电大学硕士论文绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在传统的无线通信网络中，为了尽量降低通信实体之间的干扰，频谱的分配 一般为固定分配制度。一般说来各个国家的相关部门会对无线频谱资源进行统一 的管理，通过给不同通信网络和应用颁发不同的无线频谱使用牌照来为其分配特 定的无线频谱使用频段。现有可利用的无线频谱资源可分为授权频段( 例如：g s m 、 c d m a 、3 g 频段以及广播电视频段等) 和非授权频段( 例如：w l a n 、w m a n 和w p a n 以及工业、科学和医疗的开放频段) 。目前，大部分的频谱资源都被用来 作为授权频段，如电视广播频段等。非授权频段的频谱资源相对较少，无线局域 网络( w l a n ) 技术、无线个人域网络( w p a n ) 技术和无线城域网络( w m a n ) 技术大 多工作在这些非授权频段，这些网络工作的非授权频段已经趋近饱和。随着无线 通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。而另一方面，相当数量的频谱 资源利用率却非常低。以美国为例，根据联邦通信委员会( f c c ) 提供的数据来看， 已分配的频谱利用率仅为1 5 8 5 t 。有限的可用频谱和低的频谱利用率决定了 需要一种新的通信方式开发现有频谱。为了解决这些问题，基本思路就是尽量提 高现有的频谱利用率。于是，认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 技术1 2 j 应运而生。目前， 它被认为是解决无线频谱的低利用率问题的最佳方案。认知无线电的基本思想是： 在不影响授权频段正常通信的基础上，具有认知功能的无线通信设备可以按照某 种“机会方式 接入到授权频段内，并动态地利用空闲频谱进行通信。认知无线 电技术可以将不可再生的频谱资源进行再利用，从而缓解无线频谱的紧缺程度、 有效地解决无线频谱的稀缺问题，这将为用户和网络运营商带来丰厚的收益。 无线信道的衰落主要源于传播距离，这种影响通常可以通过增加发射功率来 克服。然而实际的无线通信系统都是能量受限的，当传输距离比较远的时候，由 于无线信道比较大的路径损耗，无节制地增加单个用户的发射功率会导致该用户 的能源很快耗尽，同时也会对其他用户链路造成巨大干扰。由于移动通信系统所 使用的工作频段很高，使得信号在空间传播时会产生更大的路径损耗，也就是说， 在发射功率不变的情况下，无论是基站还是用户其信号覆盖范围都是有限的，因 此为了达到无线覆盖的要求，就需要部署更多的基站，同时由于增加单个用户的 发射功率会使得用户设备的能源很快耗尽，并且对小区范围内的其他用户也会产 生更大的干扰。因此，也就不能无限制的增加发射功率来换取通信性能的提升。 重庆邮电大学硕士论文绪论 为了满足低成本无线移动网络的部署，协作通信技术得到了人们越来越多的关注。 协作通信也就是中继技术，其基本思想是使一个网络节点可以通过一定的协 作方式，合理利用其它节点的资源。协作涉及到网络资源分配的问题，它能使信 道质量好的用户在牺牲较小甚至不牺牲自身数据速率的前提下，协助信道质量差 的用户共同达到某个可以接受的性能指标。 目前，基于不同的研究角度，人们提出了认知中继的概念。认知中继的主要 思想就是使认知用户作为中继节点协作源节点进行数据传输，从而将协作分集技 术和认知无线电技术的优点结合起来，进一步提高通信系统的性能。认知协作中 继技术可以在充分利用有限频谱资源的基础上扩大了从源节点到目的节点传输的 无线信号覆盖范围，并且这一技术为解决频谱缺乏问题，提高频谱利用率，实现 频谱机会的有效共享，建立合理、高效的资源分配优化模型与算法提供了进一步 研究的有效平台。认知中继技术1 3 l 被认为是应对认知无线电技术若干关键难题的最 好的解决方式之一。 1 2 研究现状 为了更好的为移动因特网和多媒体业务的快速发展提供平台，近年来高速无 线网络的部署达到了空前的规模，因此在不久的将来有限的无线频谱资源将会愈 发变得紧张。由于传统无线频谱分配方案的频谱利用率较低，因此怎样开发出更 加灵活的频谱利用方案从而提高无线频谱的利用效率是无线通信领域一直研究的 目标和热点。 认知无线电技术的提出为无线通信领域提供了更加开放的频谱分配和利用策 略【4 】【5 】。在认知无线电网络中，认知用户被允许可以通过主用户的空闲频谱接入网 络。这样一来，无线频谱的利用率就可以在很大程度上得到提高1 5 j 。认知用户在进 行通信之前首先对周围无线网络中存在的空闲频谱进行检测，也就是对周围主用 户的通信情况进行检测【5 】【6 l 。目前，最普遍的检测方法就是通过能量检测器来窥探 认知用户周围的未知信号，文献r 7 】【8 】对这种方案在多种无线信道状况下的性能进行 了分析和研究。另一种频谱检测方法为协作频谱感知，即一组相邻节点与一个目 标认知用户节点合作进行频谱探测。这种方案已经被验证可以更加稳定和快速的 对主用户通信情况进行适时的检测【9 】- 【l l 】。 未来无线网络的研究将主要围绕如何在尽量减少基础设施建设的基础上增加 和扩大移动节点的数量和通信范围方面。基于这个目的，协作中继技术，源节点 在通信时可以通过一些中继节点进行传输的技术，因其可以明显的提高系统性能 而越来越受到人们的关注【1 6 1 。 2 重庆邮电大学硕士论文 绪论 在无线认知网络中加入认知协作中继技术可以在有效提高系统频谱利用率的 同时进一步扩大无线信号的覆盖范围和提升系统吞吐量。作为一项新的无线通信 技术方案，认知中继技术近来一直是各国政府、学术界以及工业界的研究热点， 对以认知无线电技术为基础的认知中继系统研究也引起了越来越多人的注意。目 前，认知中继通信技术在认知无线电中的应用研究主要有两大方面： ( 1 ) 认知用户节点间的协作传输； ( 2 ) 认知用户对主( 授权) 用户传输的协作； 认知用户间的协作模式为，一个认知用户作为另一个次级传输终端的中继节 点，充分利用协作中继通信技术如放大转发( a m p l i f y - a n d - f o r w a r dm e t h o d ) 、解码 转发( d e c o d e a n d - f o r w a r dm e t h o d ) 或者编码协作( c o d i n gc o o p e r a t e d ) 等带来的 传输分集增益，提高认知用户网络的数据传输速率和吞吐量。这种情况下，认知 用户需要不问断地监测信道状况并及时发现授权用户的传输。在频谱共享系统中， 认知( 非授权- - 级) 用户可以在不干扰主用户通信的情况下使用主用户的空闲频 谱进行通信。在主用户和认知用户同时进行通信的情况下，为了不影响主用户网 络的正常通信，保证主用户服务质量( q o s ) ，认知用户需要对其传输功率进行控 制，使其对主用户造成的干扰保持在一个固定的门限值以内，或者作为中继转发 节点利用自身的一部分功率帮助主用户转发所传信息，从而保证主用户网络通信 质量。主用户能够接受的最大干扰门限称为干扰温度线。认知用户问的协作传输 如图1 1 所示： 图1 1 认知节点间的协作传输 文献【 1 建立了瑞丽衰落环境下基于认知无线通信网络的协作通信系统模型， 通过量化认知用户信道参数和主用户干扰温度线，作者利用概率分布函数对在多 中继情况下主用户干扰温度受限认知中继系统的中断概率进行了研究，并得出高 温度线和多中继协作分集增益可有效地降低认知用户端的中断概率。文献提出 3 重庆邮电大学硕士论文 绪论 了非理想信道状态信息下基于d f 转发模式的无线中继通信系统中断概率的优化 方案。在这篇文章中，作者将整个传输过程分为两个阶段：信道估计阶段：信息 传输阶段。源节点和中继节点首先发送导频序列，然后通过对端节点的反馈对各 自信道上的无线链路状态进行估计。该方案说明了在实际场景中虽然对信道状态 的估计会出现偏差，但是与零反馈系统相比利用反馈序列对信道进行估计可以较 好的降低系统中断概率，提高系统性能。此外，对有限的反馈序列进行统一量化 可以进一步降低系统的中断概率。 除了认知用户间的协作外，还可以设想另一种协作，如图1 2 所示。认知用户 节点可以对主( 授权) 用户发送的信号进行中继，转发源节点主用户信号到授权 用户目的节点。这种设计的原理主要是可以利用认知用户对主用户信号的中继， 在满足主用户传输速率的条件下迸一步增加主用户通信系统的吞吐量，减少主用 户之间的传输时延，反过来也可以给认知用户带来更多的传输机会，从而可以增 加认知用户通信系统的吞吐量。因此，认知用户间的协作是在特定的频谱空穴上 增加认知无线电网络的吞吐量，而对认知主用户的协作中继目的在于通过增加认 知用户的传输机会来提高认知无线电网络的吞吐量。由此可见，认知中继技术可 以看做是提高认知用户节点吞吐量的有效方式。 、 u 图1 2 认知节点对主用户的协作传输 文献对于图1 2 所示的情况提出了一种自适应的联合中继选择和功率分配 方案，这个方案的建模目标是基于最大化吞吐量的。文献【2 0 】对于由多个主用户节 点所组成的蔟的情况，就主用户空闲频谱的可利用率对认知用户中断概率的影响 进行了研究。文章指出当一个蔟内的主用户节点足够多或者认知用户在检测周围 空闲频谱所发送的探测信号功率趋近于某一固定值时系统的性能最好。并且，检 测空闲频谱探测信号的成功率大小将直接影响系统的中断概率。另外，蔟内主用 户节点数量较少且频谱利用率较低时系统的中断概率要比蔟内的主用户节点数量 4 重庆邮电大学硕士论文 绪论 较多且频谱使用率较高时的系统中断概率更低。 目前，对于认知中继系统的研究，技术研究人员针对不同的应用场景和目标 建立了不同的系统模型，主要集中在对系统容量，中断概率和资源分配的研究上， 取得了许多很有意义的成果。当然，现有的研究还存在着很多局限与不足。第一， 现有对认知中继系统的研究中所建立的无线信道模型都是比较理想化的，即任一 网络节点都可以完全感知周围无线信道状态的变化，也就是说这些节点能够获得 完全正确的无线信道的信道参数，而在一个实际的移动通信系统中无线信道状态 是很复杂的，并且节点对信道状态的估计也是存在偏差和错误。因此，基于估计 偏差的非完全信道状态信息，将使无线认知中继系统进一步的研究更加符合实际 应用价值；第二，在上述介绍到的研究现状中，都没有考虑干扰对认知中继系统 在传输时的影响，特别是在目前应用最为广泛的蜂窝无线通信系统环境下，加入 小区间干扰的认知中继传输策略和最佳中继选择策略将有助于在更加实际的场景 下提高无线通信的质量。因此，对基于小区间干扰和最佳认知中继选择策略下认 知中继系统传输方案的研究将会很有意义。本文就主要围绕以上两方面展开。 1 3 主要研究内容和结构 由于认知中继通信系统是在近一段时间才得到人们的普遍关注，因此对它的 性能等各方面的研究都还存在很多有待完善的地方，目前的主要研究点包括：在 各种信道状态信息情况下，认知协作中继的系统性能会产生怎样的变化；在一个 多认知协作中继环境中，如何进行资源的分配和管理，例如谁将与谁协作，在什 么条件下协作等；基于上述分析，本课题主要以国家自然科学基金( 6 0 9 7 2 0 7 0 9 ) ， 国家科技重大专项课题子课题( 项目编号：2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 0 0 5 ) 和重庆市自然科学基 金重点项目( c s t c 2 0 0 9 b a 2 0 9 0 ) 为依托，并根据已发表或录用论文整理而成，主 要研究内容如下： ( 1 ) 最佳功率控制下分别对峰值功率干扰和平均功率干扰两种情况下认知中继 系统的中断概率进行了理论分析和性能仿真。 在文献【1 7 】和文献f 1 8 】的基础上，分析和研究在非完全信道状态信息下，认知中 继系统的中断概率。并分别就单中继和多中继时系统的通信性能进行仿真评估。 文献1 1 7 】所探讨的系统模型是主从用户的认知无线通信系统环境下，在认知通信网 络中加入中继协作认知源节点进行信息传输。本章在考虑主用户干扰受限的情况 下运用接收信噪比的条件概率密度函数和概率分布函数来求解和分析了系统的中 断概率。但是并未考虑多中继协作的情况，而且文章假定源节点在任一时刻都能 能获得每个信道的完全信道状态信息，这种假设在实际情况中存在明显的局限性。 5 重庆邮电大学硕士论文 绪论 文酬 】研究了基于非完全信道状态信息下协作中继系统的系统性能。本篇文章将 整个通信过程分为两个阶段：信道状态测量阶段和数据传输阶段。源节点通过信 道状态测量阶段分别向中继节点和目的节点发送测试信号，中继节点向目的节点 发送测试信号来可以得到源节点到中继，源节点到目的节点和的部分信道状态信 息。由于在实际情况中无线信道的衰落，干扰存在复杂的时变特性，接收端反馈 信道状态信息往往是有限的并且存在评估错误。所以考虑了实际情况下推出的系 统中断概率更有实际意义。 ( 2 ) 在无线蜂窝通信网络中，由于相邻小区常常使用相同的频带进行通信，从 而使得小区间干扰( i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ( i c l ) ) 成为影响系统性能的一个重要因素。 在本文的第四章就针对在认知中继系统中存在小区间干扰的情况，对基于最佳中 继选择策略下系统的传输方案进行了分析和讨论。在这章中，小区边缘分布有若 干个认知中继节点。这里，认知中继为可以通过频谱感知方法检测并利用基站和 用户之间的主通信空闲频谱进行通信的网络节点。在通信过程中，认知中继和用 户从目标基站和相邻小区基站同时接收到有用信号和小区间干扰信号。对于干扰 受限用户，如果需要中继进行协助通信，则用户所在小区内的认知中继节点就开 始检测小区内空闲频谱。系统将选择所有可用认知中继节点中通信质量最佳的节 点通过利用检测到的空闲频谱将接收到的信息转发给目标用户。 本学位论文共分五章，主要章节安排如下： 第一章介绍了认知中继系统的研究背景、研究现状内容以及认知无线电技术 与无线协作通信技术的结合，并强调了对认知中继系统研究的意义。 第二章介绍认知中继系统的基本原理和架构，并给出了认知中继一般模型。 第三章首先在主用户峰值干扰受限和平均干扰受限情况下通过优化功率分配 策略来得到最小化的系统中断概率。通过仿真验证了优化功率分配方案对系统性 能的提高。 然后，分析了非理想信道状态信息下认知中继系统的性能。建立了非理想信 道状态信息下认知中继系统的数学模型，推导出了非理想信道状态信息下认知中 继系统中断概率的表达式。并通过仿真验证了理论分析的正确性。 第四章针对在认知中继系统中存在小区间干扰的情况，提出了一种最大端到 端s i n r 中继选择传输方案。集中讨论了d f 中继模式下不需要认知中继节点之间 交互信息，而是通过竞争的方式完成数据传输的方案，节省了系统开销，具有 较好的实用性。并将其与任意中继选择方案和基于瞬间信道状态信息( c s d 的中 继选择方案进行了仿真性能比较。 第五章总结本文主要的工作，指出所做研究中有待于改进的地方，并探讨了 对认知中继系统进一步研究的价值方向。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章认知中继系统概述 第二章认知中继系统概述 2 1协作中继通信 衰落是影响无线通信系统通信质量的主要因素，在无线通信环境中由于无线 信道会受到多径衰落、时变性等外界环境的影响，从而在很大程度上会降低无线 通信系统的传输性能。因此，如何保证无线传输链路的可靠性，成为了衡量一个 无线通信系统优劣与否的一项重要指标。无线信道的衰落主要源于信号传播的距 离，这种影响通常可以通过增加发射点的功率来克服。然而在实际情况下系统的 发射功率是有限的，当传输距离较远时，信号传播所通过的无线信道路径损耗将 会很大。这时，无节制地增加单个用户的发射功率会导致该用户的能源很快耗尽， 同时也会对链路上其他用户的通信造成比较大的干扰。协作中继技术是解决这一 问题的有效方法。 在移动通信中，无线信道的时变特性是影响信息传输可靠性的一个重要因素， 这主要包括了符合多种特性的衰落。由于在移动通信中，终端使用的射频器件的 工作频段比较高，这将使得无线信号在空间传播时会造成更大的路径损耗，也就 是说，在发射功率不变的情况下，这种较高的路径损耗将会降低基站或者是移动 终端无线信号的覆盖半径。因此为了达到需求网络覆盖范围的要求，就需要部署 更多的基站来保证覆盖要求，同时增加单个用户的发射功率会使该用户的设备资 源很快耗尽，并且会使其对一定范围内的其他用户产生比较大的干扰，因此，也 就不可能无限制的靠增加单一用户的发射功率来换取通信性能的提升，为了满足 低成本移动无线网络部署的系统性能需求，引入无线多跳协作中继技术1 2 1 1 1 2 2 1 是目 前比较好的解决方案之一。 无线协作中继技术的基本思想是使用中继节点将接收到的由基站发送来的信 号进行重新处理后再发送出去，因此，协作中继的主要作用就是通过提高无线信 号的覆盖范围来保证通信质量，为小区中阴影衰落严重的地区以及网络覆盖死角 提供有效的服务信号，加强以及提高热点地区和室内的覆盖强度和范围等，同时 它也是一种实现系统空间分集增益的有效方法。在协作中继通信中，除了用户节 点直接与目地节点通信外，用户之间还可以通过协作将信号传输至目的节点，实 现源节点与目的节点之间的可靠通信。 另外，无线协作中继技术的引入还可以节省终端的发射功率，延长电池的工 作时间。移动终端可以在中继站的协助下通过基站接入无线网络，作为一种能有 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章认知中继系统概述 效改善网络覆盖的技术，协作中继为在高频实现宽带无线接入方面提供了一种高 性价比的解决方案。总的来说，中继协同通信作为一种新型的组网技术具有以下 一些特点： ( 1 ) 提高频谱利用效率。发送分集增益，阵列增益，空间分集增益等手段都 能提高频谱效率和无线链路性能。在快衰落无线信道中，协作中继系统明显要比 一般的无线蜂窝通信系统的性能要好，选择恰当的分集策略可以有效的提高系统 性能。 ( 2 ) 节约发送端和接收端能量。终端能耗问题是下一代无线通信技术的一个 瓶颈，协作中继技术无疑可以通过共享来增加各个终端节点电池的使用时间，当 然也会大大降低辐射，更能符合绿色通信的要求。 ( 3 ) 提高网络覆盖率。在某些情况下，当源节点到目的节点之间的无线链路 无法建立时，中继节点的中转作用可以在源节点和目的节点间建立一个可能的链 路。 ( 4 ) 提高无线链路状态性能。在快衰落信道中，协作中继明显要比没有协作 时的性能要好，恰当的分集策略不会比使系能变得更糟。 ( 5 ) 提高系统容量。通过选择合适的协同空时编码方式，或者协作方案，可 以大幅度提高无线通信网络的系统容量。 一一。“、 ，一一，：啼单跳直传 + 两跳 中继 月日，j，7器 i 基站 | 一， ， 图2 1 蜂窝移动通信网络中的中继架构 如图2 1 ，在下一代移动通信系统中，把a d h o c 网络中的多跳通信技术引入 到传统单跳蜂窝移动网络中，也就是在传统的蜂窝网络中部署中继，以现有的网 络平台为基础，从而改变传统的单跳网络，一般来说把基站和移动用户之间的信 息传输称为单跳或直传，而把基站和移动用户之间的信息传输通过中继进行转发 8 、h矿j， ，秒 ，l、 。，一一 重庆邮电大学硕士论文第二章认知中继系统概述 的通信方式称为两跳中继。 中继辅助传输可分为并行和多跳两种模式。图2 2 为并行中继信道，目的节点 通过并行分支的合并获得协同分集增益；图2 3 为多跳中继信道，来自源节点的信 号经过多个级联链路后达到目的节点。 中继l 源 源 中继2 圈2 2 并行中继信道 中继2 目 的 端 目 的 端 图2 3 多跳中继信道 协作中继通信中最基本的协同通信方式主要为：放大转发( a f ) 模式、解码 转发( d f ) 模式。 放大转发( a m p l i f y - a n d - f o r w a r dm e t h o d ，a f ) t l s ，指的是中继节点直接将接收 到的信号进行模拟放大处理后转发，并不没有解码和重新编码的过程。这是最早 采用的一种协作中继方式。a f 方式可以看成是发射端的两次重复发送过程，不同 的是中继节点将自身接收到的噪声信号放大并发送到目的节点。目的节点通过合 并不同时刻接收到的信号，对源节点的发送信号进行估计。当同时有多个中继节 点可用时，它们可以各自在为自己分配的子信道上进行协作传输，此时它们所传 输的信号在目的端相互独立，彼此间并不发生干扰；或者它们可以同时进行协作 传输，此时它们所传输的信号将在目的端产生互相间的干扰。a f 协作中继方式可 以获得相对较好的分集增益，但是降低了频带利用率。 解码转发( d e c o d e a n d f o r w a r dm e t h o d ，d f ) t 1 6 l ，又称为再生中继，是指在通信 过程中中继端首先要对接收到的信号进行解调、解码和估计，然后将数据进行编 码调制后传输给目的节点。该模式的设计初衷是在中继节点处消去高斯白噪声， 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章认知中继系统概述 从而避免在a f 模式中中继节点对噪声功率的放大。但是，协作中继采用的解码往 往是接收信号的非线性变换，虽然可以减少接收噪声对有效信号的影响，但是同 时也会引入衰落而使系统性能受到限制。另外，中继节点如果对数据做出了错误 的判决，那么这个错误将被进一步传播。为了避免这种情况的出现，中继节点处 可以采用循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e e k ，c r c ) 技术，对接收到的数据帧 进行检查，如果正确就转发给目的端，错误就将其丢弃。 随着对协作中继技术研究的进一步深入，目前众多学者得出这样的结论，利 用协作中继传输的协作分集技术可以像m i m o 技术一样提升无线通信系统的容 量、提高数据的传输速率、有效的对抗信道衰落以及降低系统中断概率和提高系 统的服务质量和可靠性等。 2 2认知无线电技术 在认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 系统中，通信终端通过感知环境和调节发射参数 来进一步利用已被授权给主用户的无线信道，从而大幅提高频谱利用率。为了达 到充分利用频谱并且尽量保护主用户的目的，认知用户需要感知其周围的频谱占 用情况，进而对主用户的信号存在与否做出判决，当主用户的信号出现时应立即 释放占用的频谱资源，以尽量减小对主用户正常通信的干扰。这种通信方式可以 对抗固定分配信道使用不足的现象，有效提高无线信道和频谱的使用效率，因此 得到了全世界的普遍关注。 从通信角度来看认知无线电的定义为：认知无线电网络是一个智能无线通信 系统，它能感知周围的无线信号环境，通过对环境的理解、主动学习调整内部的 无线电参数( 如功率、频率、调制和编码方案等) ，以适应外部环境变化，并利用 空闲资源进行通信。认知无线电具有在不影响其他授权用户( 主用户) 的前提下 有效利用大量空闲频谱并且能够随时随地提供高可靠性通信的潜能。因此，认知 无线电的基本思想是：在不影响授权用户( 主用户) 正常通信的基础上，具有认 知功能的无线通信设备( 认知用户) 可以选择性地接入授权频段，并动态地利用 空闲频谱进行通信。这种在空域、时域和频域中出现的并且可被利用的无线频谱 资源被称为“频谱空穴( s p e c t r u mh o l e s ) ”。 ；认知；认知 认知l 认知、 i 用户 主用户主用户主用户 ；用户! 用户l 用户 频谱 - 图2 4 认知用户与主用户共存场景 1 0 o 重庆邮电大学硕士论文第二章认知中继系统概述 为了方便本文后边的描述，在这里首先明确两个定义：1 ) 对已授权且具有特 定频谱使用权限的用户称为主用户或授权用户，本文将统称主用户。此外，具有 检测并利用空闲的授权频段进行通信的具有认知功能的无线电终端可称为次级用 户、二级用户或者认知用户等，本文将统称为认知用户。 目前，认知无线网络面临大量亟待解决的问题。例如，认知无线网络环境下 资源( 本文主要包括子信道和功率) 分配模型与优化设计是众多关键问题中比较 重要的一个。同传统的功率分配相比，认知无线电网络中的资源分配将面临更多 的科学挑战。单就功率分配而言，如何通过高效的功率分配方法提高认知无线网 络频谱利用率的问题就是当前研究的热点之一。功率分配问题会受到可用频谱资 源、认知用户和主用户无线信道状态信息、业务优先级等动态变化因素的影响， 故需要具有对动态频谱接入环境的适应能力，改变能力和动态调整能力。功率分 配过程中受分布式特性和信息约束限制等因素影响，面临集中式功率分配和分布 式功率分配两方面的问题；同时功率分配过程中，资源拥有者需要协调与配合， 在分配过程中需要体现一种“全局观念”，通过设计联合信道和功率的跨层优化模 型和算法，使资源分配最为合理。 2 3认知中继网络 认知中继网络，顾名思义就是在认知通信系统中引入中继传输方式，从而改 善认知通信系统的性能，扩大网络覆盖范围，提高信息传送速率。图2 4 表示了一 个典型的认知中继通信系统。 从图中可以看出，该系统由主用户发送节点，主用户接收节点，认知用户发 送节点，认知用户接收节点和认知中继节点组成。为保证主用户之间的正常通信 并降低对主用户的干扰，认知用户可以采取两种方法来保证主用户通信的正常进 行：1 ) 认知用户牺牲其自身的一部分功率五( 其中0 兄 式( 2 1 ) 哇舳 l 0 9 2 - + 掣 ，i o g ： t + 掣 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章认知中继系统概述 里，为了进一步简化模型，可以认为认知用户受到的来自主用户的干扰为0 。 2 5本章小结 随着通信技术的日新月异，人们对下一代无线通信系统提出了更高的要求。 下一代无线通信系统将以提供更高数据率的多媒体业务和数据业务为主，因此必 须采用更先进的技术来达到这样的要求。 在无线通信系统中，由于各种原因导致的无线信道的随机衰落是影响传输速 率与质量的主要因素，如何克服多径效应带来的影响便成为提高无线通信质量的