认知无线电网络中协作通信和频谱管理的研究

论文摘要

目前的无线网络采用静态的频谱分配策略,但是近年来,随着多元化业务的发展所造成的频谱需求的增长,传统的静态分配策略面临着频谱稀缺的困境。而在大部分已分配的频谱中,在很多时刻是空闲状态的,这就导致了很多频谱的利用率低下的问题。动态频谱接入正是为了解决频谱效率问题。动态频谱接入的关键技术就是认知无线电(CR, Cognitive Radio)技术。此外,协作通信技术是一种新的通信方式,可以提高无线通信系统更高的容量,并获得复用增益。而频谱管理是一个在协调认知用户选择相应带宽进行传输时的非常重要的研究课题。本文着重分析认知无线电网络中协作通信和频谱管理问题。论文具体的研究工作包括以下几个部分：1.研究了双向中继系统的性能。协作中继在协作通信中是个十分重要的技术。应用网络编码思想的双向中继方式很好的解决了由于半双工模式所造成的频谱效率损失问,在双向中继系统中,两个信源通过一个中继节点交互相互信息。我们首先分析了双向多中继场景下信道估计误差对于系统性能的影响,通过近似有效信噪比和它的概率密度函数,最终得出平均错误概率的下界,仿真结果验证了理论分析的正确性。并且我们通过改进型一类贝塞尔函数求解双向中继系统中断概率并获得闭式表达式。这个工作是一个基础性的理论研究,对于指导认知无线电网络的协作通信研究有一定的意义。2.在认知无线网络中分为主用户网络(Primary Network)和次用户网络(Secondary Network),对于主用户网络来说,传统的协作通信技术都可以得到应用。而次户网络的协作通信主要研究的是协作感知。具体研究内容如下：1)基于分布式天线的多点协作传输：一方面应用多点协作传输,小区边缘用户的速率大大的得到了提升；另一方面,由于相比集中式网络的优势,分布式天线系统已经在学术界和工业领域研究多年并得到了广泛的认可。提出基于分布式天线的多点协作传输方案。评估在天线数量和天线位置两方面的变化对系统频谱效率的影响。这个工作对于主用户网络和基于构架的次用户网络都有一定的意义。2)协作感知数据上报性能分析：在协作感知的过程中分为感知信道和上报信道两个部分。协作感知数据上报的准确性对于协作感知的性能影响至关重要。考虑中继和广播链路共存的协作感知场景,研究在信道估计误差存在的情况下,分析在汇聚节点的误码率性能。分析具有一定的理论价值和工程意义。3.对认知无线电网络中的频谱管理问题做出了分析。应用OFDM调制方案的认知无线电系统的频谱管理问题可以简化为功率控制或者功率分配问题。功率分配问题往往会建模成优化问题,由于考虑到认知无线网络中的次用户的自私性,所以采用能体现用户间竞争体系的非合作博弈对网络进行建模。在考虑代价因子的情况下,我们分析了在认知无线电中基于代价函数的功率分配问题。应用变分不等式,最优化等数学理论分析了纳什均衡的存在性。另一方面,在传统的研究中,网络中许多用户长时间共存在一个系统中,也就是说,用户集是不变的。但是在实际上,认知无线电环境是动态变化的。认知环境的动态性注定了优化分析的不确定性,采用鲁棒性优化方法建模动态功率分配问题,并且提出迭代算法解决这一问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 英文缩略语
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文主要贡献
• 1.4 论文结构
• 1.5 本章参考文献
• 第二章 认知无线电综述
• 2.1 认知无线电基本概念
• 2.1.1 认知无线电的提出
• 2.1.2 认知无线电的特性
• 2.1.3 认知无线电的体系与应用
• 2.2 认知无线电网络相关技术
• 2.2.1 频谱感知技术
• 2.2.2 协作通信技术
• 2.3 本章参考文献
• 第三章 双向中继系统性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 网络编码在协作通信中的应用
• 3.2.1 网络编码的基本概念
• 3.2.2 网络编码与协作中继
• 3.3 双向多中继协作分集系统性能分析
• 3.3.1 系统模型
• 3.3.2 有效信噪比和平均误码率分析
• 3.3.3 仿真结果和分析
• 3.4 向中继中断概率分析
• 3.4.1 系统模型
• 3.4.2 中断概率分析
• 3.5 本章小结
• 3.6 本章参考文献
• 第四章 认知无线电网络中的协作传输
• 4.1 引言
• 4.2 基于分布式天线的多点协作传输方案
• 4.2.1 多点协作技术
• 4.2.2 系统模型
• 4.2.3 基于分布式天线的多点协作传输
• 4.2.4 仿真结果和分析
• 4.3 自适应协作频谱感知机制设计
• 4.3.1 系统模型和自适应感知机制
• 4.3.2 本地频谱检测和协作上报
• 4.4 协作感知数据上报性能分析
• 4.4.1 问题描述
• 4.4.2 判决节点有效输出信噪比分析
• 4.4.3 平均误码率计算
• 4.4.4 仿真结果和分析
• 4.5 本章小结
• 4.6 本章参考文献
• 第五章 认知无线电网络中的频谱管理
• 5.1 引言
• 5.2 博弈论简介
• 5.3 基于OFDM的认知无线电网络
• 5.4 基于博弈论的次用户网络功率控制
• 5.4.1 系统模型和问题描述
• 5.4.2 功率分配问题的博弈论分析
• 5.4.3 鲁棒性优化方法及算法求解
• 5.4.4 仿真结果和分析
• 5.5 本章小结
• 5.6 本章参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 博士期间论文发表情况和科研工作