摘要 感知中繼網(wǎng)絡中繼選擇和功率分配策略研究 專業(yè)：通信與信息系統(tǒng) 碩士生：林楷鑫 指導教師：張琳副教授 摘要 無線頻譜資源有限，并且以往固定的頻譜分配方式導致頻譜使用效率低下， 使得可用于新業(yè)務的頻譜資源極為有限，成為制約無線通信發(fā)展的瓶頸。如何充 分提高有限頻譜資源的使用效率以滿足越來越高要求的數(shù)據(jù)業(yè)務的問題成為各 國學者及工業(yè)界的研究熱點之一。 感知無線電技術( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 能實現(xiàn)不同無線電系統(tǒng)頻譜資源的 有效共享和動態(tài)分配使用，可以有效緩解頻譜分配與利用之間的矛盾。在感知無 線電u n d e r l a y 頻譜共享模型中，感知用戶和授權(quán)用戶可以共享授權(quán)頻譜，前提條 件是感知用戶對授權(quán)用戶產(chǎn)生的干擾不會超過授權(quán)用戶能夠承受的最大干擾的 條件。感知用戶為了使用該段頻譜和滿足這一條件只能是降低自身的發(fā)射功率。 當授權(quán)用戶可接受的最大干擾較小的時候，感知用戶的發(fā)射功率就會受到嚴重的 限制，再加上衰落的影響，使得信息傳輸質(zhì)量下降，難以滿足感知用戶的需求。 協(xié)作中繼技術能夠有效地對抗衰落，能以較小的發(fā)射功率獲得較好的通信性能， 將協(xié)作中繼應用到感知無線電中，能夠在保護授權(quán)用戶信息傳輸有效性及可靠性 的條件下提高感知用戶的信息傳輸性能。 本文將協(xié)作中繼應用于感知無線電系統(tǒng)，并對其中繼選擇和功率分配策略進 行了研究，提出了最小化發(fā)射功率的中繼選擇和功率分配策略。論文首先簡要介 紹了感知無線電技術和協(xié)作通信的概念以及基本原理，分析了感知中繼網(wǎng)絡關鍵 技術，然后針對中繼選擇和源節(jié)點與中繼節(jié)點之間的功率分配問題，將最小化發(fā) 射功率的中繼選擇和功率分配策略應用到感知中繼網(wǎng)絡中來，并從理論上推導提 中山大學碩士學位論文 出了放大轉(zhuǎn)發(fā)( a m p l i f y f o r w a r d ，a f ) 和解碼轉(zhuǎn)發(fā)( d e c o d e f o r w a r d ，d f ) 中 繼系統(tǒng)的最小化發(fā)射功率的分配方案，最后在m a t l a b 平臺上對該策略進行性 能仿真。理論分析和仿真結(jié)果表明，該算法在確保感知用戶不對授權(quán)用戶產(chǎn)生有 害干擾和滿足感知用戶的o o s 要求下，能夠進一步的降低總發(fā)射功率，從而減少 感知用戶對授權(quán)用戶和其他網(wǎng)絡的干擾、減少感知用戶的能量開支，延長無線終 端的電池使用時間。 關鍵詞：感知無線電，中繼選擇，功率分配，放大轉(zhuǎn)發(fā)( a f ) ，解碼轉(zhuǎn)發(fā)( d f ) 1 1 r e s e a r c ho nt h es t r a t e g i e so fr e l a ys e l e c t i o na n d p o w e ra l l o c a t i o ni nc o g n i t i v e r e l a yn e t w o r k m a j o r ： n a m e ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m k a i ) 【i nl i i l s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f l i nz h a n g a b s t r a c t r a d i os p e c t r u mr e s o u r c e sa r el i m i t e d ，a n dt h ee x i s t i n gf i x e ds p e c t r u ma l l o c a t i o n m e t h o dh a sr e s u l t e di nl o ws p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，b o t hm a k i n gs p e c t r u mr e s o u r c e sf o r n e ws e r v i c ea v a i l a b l eb e c o m em o r ea n dm o r es c a l c e s p e c t r u md e f i c i e n c yh a sb e e na b o t t l e n e c kf o rt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s h o wt oi m p r o v et h e l i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e su t i l i z a t i o na n d e f f i c i e n c yt om e e tt h eg r o w i n gd e m a n d so f d a t as e r v i c e sh a sb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c so fs c h o l a r sa r o u n dt h ew o r l d a n d i n d u s t r y c o g n i t i v er a d i o ( c r ) t 邑c h n o l o g yc a nb eu s e di nd i f f e r e n tr a d i os y s t e m st os h a r e a n du s et h es p e c t r u mr e s o u r c e si nd y n a m i ca l l o c a t i o n ，a n dt h u st h ec o n f l i c tb e t w e e n t h es p e c t r u ma l l o c a t i o na n du s a g ec a l lb er e d u c e d i nt h ec o g n i t i v er a d i o su n d e r l a y s p e c t r u ms h a r i n gm o d e l ，t h es e c o n du s e ra n dt h ep r i m a r yu s e rc a ns h a r et h el i c e n s e d s p e c t r u mu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ei n t e r f e r e n c et ot h ep r i m a r yu s e rc r e a t e db yt h e s e c o n du s e rd o e sn o te x c e e dt h em a x i m u mi n t e r f e r e n c et h a tt h ep r i m a r yu s e rc a t lb e a t i no r d e rt ou s et h es p e c t r u ma n dm e e tt h i sc o n d i t i o n ，t h es e c o n du s e rh a st or e d u c eh i s t r a n s m i t t i n gp o w e r w h e nt h ep r i m a r yu s e r sn l a x i m u n la c c e p t a b l ei n t e r f e r e n c ei s s m a l l ，t h es e c o n du s e r st r a n s m i t t i n gp o w e rw i l lb es e v e r e l yr e s t r i c t e d ，c o u p l e d 誦也 1 1 1 中山大學碩士學位論文 t h ei m p a c to ft h ef a d i n g ，t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nq u a l i t yo ft h es e c o n du s e rw i l l d e c l i n e ，a sar e s u l t ，i ti sh a r dt om e e tt h en e e d so ft h es e c o n du s e r a st h er e l a y c o o p e r a t i o nt e c h n o l o g yc a nc o m b a tf a d i n ge f f e c t i v e l ya n du s es m a l l e rt r a n s m i s s i o n p o w e rt oo b t a i nb e t t e rc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e ，s oi f i tc a nb ea p p l i e dt o c o g n i t i v er a d i on e t w o r k ，t h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h es e c o n du s e rw i l lb e i m p r o v e d u n d e rt h ec o n d i t i o n so f p r o t e c t i o nt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fi n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o no ft h ep r i m a r yu s e r t h i st h e s i sa p p l i e sc o o p e r a t i v er e l a yt e c h n o l o g yf o rc o g n i t i v er a d i os y s t e m , s t u d i e st h er e l a ys e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yo ft h i ss y s t e m ，a n dp r o p o s e s t h em i n i m u mt r a n s m i s s i o np o w e ro fr e l a ys e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g y w e f i r s t l yb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n db a s i cp r i n c i p l 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 ec o m m t m i c a t i o n a n da n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fc o g n i t i v er e l a y n e t w o r k t h e nw ee x p l o i tt h em i n i m u mt r a n s m i s s i o np o w e ro fr e l a ys e l e c t i o na n d p o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yt od e a lw i t ht h ep r o b l e m so fr e l a ys e l e c t i o na n dt h ep o w e r a l l o c a t i o nb e t w e e nt h es o u r c ea n dt h er e l a yn o d ei nt h ec o g n i t i v er e l a yn e t w o r ka n d d e r i v e df r o mt h et h e o r e t i c a lm i n i m u mt r a n s m i tp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e si i lt h e a m p l i f y - f o r w a r d ( a f ) a n dd e c o d e f o r w a r d ( d f ) r e l a ys y s t e m s ，a n df i n a l l ys i m u l a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h es t r a t e g yo nm a t l a b t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ti tc a nf u r t h e rr e d u c et h et o t a lt r a n s m i s s i o np o w e rc o s tu n d e rt h e c o n d i t i o n so fe n s u r i n gt h a tt h es e c o n du s e rd o e sn o tc a u s eh a r m f u li n t e r f e r e n c et ot h e p r i m a r yu s e ra n dm e e t i n gt h es e c o n du s e r sq o sr e q u i r e m e n t ，t h e r e b yr e d u c et h e s e c o n du s e r si n t e r f e r e n c et ot h ep r i m a r yu s e ra n do t h e rn e t w o r k sa n de n e r g yc o s t st o e x t e n dt h eb a t t e r yu s a g eo fw i r e l e s st e r m i n a l s k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，r e l a y s e l e c t i o n , p o w e ra l l o c a t i o n , a m p l i f y f o r w a r d , i v 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的 成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的作品成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中 以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 學位論文作者簽名：辭稀锍 日期：汐口年易月；日 學位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解中山大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留 學位論文并向國家主管部門或其指定機構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版，有權(quán)將學 位論文用于非贏利目的的少量復制并允許論文進入學校圖書館、院系資料室被查 閱，有權(quán)將學位論文的內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用復印、縮印或其 他方法保存學位論文。 學位論文作者簽名：稀楠縫 導師簽名： 旅球 日期：如i o 年6 月歲日 日期：如f o 年b 月羅日 第1 章緒論 第1 章緒論 本章首先介紹了本論文工作的研究背景，引出了課題的研究意義，接著介紹 了感知無線電和協(xié)作通信技術的相關概念；然后通過對感知無線電與協(xié)作通信發(fā) 展現(xiàn)狀的分析，提出本論文所要研究的主要內(nèi)容和目標；最后，闡述了論文工作 的貢獻、論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排。 1 1 研究背景和意義 自1 8 9 6 年意大利人馬可尼首次用人造電磁波傳遞消息，并建立了第一座無 線發(fā)射和接收電臺以來，無線通信經(jīng)歷了1 0 0 多年的發(fā)展。無線通信系統(tǒng)己從 早期簡單的模擬系統(tǒng)發(fā)展到當前的高速數(shù)字系統(tǒng)，從提供單純的語音業(yè)務發(fā)展到 了提供形式多樣的數(shù)據(jù)業(yè)務，但是依舊無法滿足人們?nèi)遮呍鲩L的高速、高質(zhì)量通 信需求，因此，越來越多新的無線通信系統(tǒng)被部署，大量新的無線業(yè)務陸續(xù)開展。 然而，如此繁多的通信業(yè)務( 或者系統(tǒng)) 也占據(jù)了大量的頻譜資源，使得頻譜資 源變得越來越緊張，導致可用于新業(yè)務的頻譜資源不斷減少，已成為制約無線通 信發(fā)展的瓶頸。導致有限的頻譜資源難以滿足通信需求的原因主要包括： 1 、頻譜劃分和使用政策的約束。由于無線頻譜是一種稀缺的自然資源以及 為了避免通信干擾，頻譜的分配和利用都是由專門的無線電法規(guī)部門進行統(tǒng)一管 理，目前主要按照不同通信業(yè)務或者通信系統(tǒng)類型，采用靜態(tài)( 固定) 的頻譜分 配方案。在此方案下，頻譜管理部門將可用頻譜資源劃分成非重疊、大小固定的 頻譜塊，并將這些頻譜塊以獨享的方式分配給不同的團體或者個人( 通信業(yè)務或 者通信系統(tǒng)由團體或個人經(jīng)營) ，分配到這些頻譜塊的用戶被稱為授權(quán)用戶 ( p r i m a r yu s e r ，p u ) ，例如：移動通信運營商、廣播電視、軍事和相關公共安 全部門，獲得頻譜的授權(quán)用戶將長期獨占該頻譜使用權(quán)。另外，為了保證無線設 備的兼容性和人們通信的方便，頻譜分配方案在全世界或一個國家范圍是基本一 致的，目前很多國家的可用頻譜資源差不多已經(jīng)分配完畢。美國3 k h z 3 0 0 g h z 頻譜分配情況如圖1 1 所示f l 】： 中山大學硬學位論文 u n i t e d s t a t e s f r e q u e n c y a l l o c a t i o n s i 一 h _ _ “ ) 圖i 1 美囤3 k h z 一3 0 0 g h z 頻譜分配情況 從圖中可以看出留給新的系統(tǒng)、業(yè)務或者技術的頻譜非常少這嚴重阻礙 了新技術和業(yè)務的商用推廣進程。比如在美國留給第三代移動通信系統(tǒng)( 3 g ) 的 頻譜僅為幾十 船，這遠遠不夠，即使與i t u 的2 3 0 m h z 的統(tǒng)一分配也相差很 多；又如目前難以為w i m a x 系統(tǒng)找到合適的頻段，盡管w 1 m x 是一個很好的系統(tǒng)， 但由于頻譜問題不得不使得它的商用推廣進程大大減慢，這樣就迫使它去爭奪本 來就已經(jīng)很緊張的3 g 頻段i “。 ( 2 ) 頻譜利用事不高，大量的頻譜處于空閑狀態(tài)。按照頻譜分配的原則 無線頻譜資源劃分為授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段兩類。在授權(quán)頻段，得到授權(quán)頻段頻 譜的團體或個人長期獨占該頻譜使用權(quán)，不允許其他人使用；在非授權(quán)頻段一般 采用競爭方式接入使用，由于缺乏控制系統(tǒng)問干擾的機制，通信質(zhì)最得不到保障， 因而開放頻段往往只能用于小范圍的通信，如w l n 系統(tǒng)。在這些已分配的授權(quán) 頻段和非授權(quán)頻段中，存在著使用的不平衡性。一方面授權(quán)頻段占據(jù)整個頻譜 資源的絕大部分，由于在某一個地點上，授權(quán)用戶不會時時刻刻都使用該頻段， 因此不少授權(quán)頻段都處于空州的狀態(tài)；另一方面，占頻譜資源很少一部分的非授 權(quán)頻段的用戶卻很多，業(yè)務罱擁擠【：i 。通過對信號強度的測試0 6 g 脅的頻譜 第1 章鰭論 使用情況如圖l - 2 所示口l ： m a x i m u m a m p l i t u d e s 圖1 - 2 0 6 g h z 的頻譜利用率情況 從圖中可以看出，只有少部分頻段被頻繁使用大部分頻段很少或基本沒有 使用。美國聯(lián)邦通信委員會( f c c ) 的研究表明，授權(quán)頻段的平均利用率范圍在 1 5 8 5 之間【】。 ( 3 ) 頻譜使用是動態(tài)變化的。與當前固定頻譜分配方案和長期獨占頻譜使 用權(quán)完全不同的是，頻譜的使用是動態(tài)變化的，隨著頻段、時間、地點和系統(tǒng)( 技 術) 不同而不同。在德國l i c h t e n s u 對一天中5 0 m h z i g h z 的頻譜利用情況測量 結(jié)果如圖1 - 3 所示i ”，不同的頻段的占用情況完全不同。 圈i - 35 0 m h z i g h z 的頻譜利用情況 蘭七ill量 盯 一一一一j基 譬j _竺霉j o _ 二墮 ， 二m 一 一一i竺寨 詈| 砸 一一1 | j ? _ 小止ll兒li|u畦越 。扣。 中山大學碩士學位論文 對o g h z 1 2 g h z 的檢測發(fā)現(xiàn)，頻譜使用情況在不同的時刻會變化，甚至前 一分鐘與后一分鐘都不同。進一步推測可以得知，不同的地點的頻譜使用情況也 是相差很大1 2 。 因此在目前頻譜管理中存在有三大矛盾：頻譜使用是動態(tài)的，但頻譜分配是 固定的；頻譜是稀缺資源，但頻譜利用率不高；剩下可分配頻譜很少，但無線通 信業(yè)務量快速發(fā)展，頻譜需求量大【2 】。雖然目前采用各種復用技術( 如頻分復用 f d m ，時分復用t d m 等) 、多址方案( 碼分多址c d m a ，m i m o 技術等) 和 高級信號處理技術可以提高頻譜利用率，但都不能從根本上解決問題。這是由于 導致這三大矛盾的根本原因在于采用固定( 靜態(tài)) 的頻譜分配方案和獨占頻譜使 用權(quán)原則( 即業(yè)務接入權(quán)和頻譜準入權(quán)) ，因此現(xiàn)階段最行之有效的方法就是通 過改變頻譜準入權(quán)，以開放頻譜使用、提高頻譜利用率和充分利用空閑頻譜。這 樣，迫切需要一種技術來解決開放頻譜的問題和提高頻譜使用率【2 】。 由于開放頻譜必須保護購買頻譜者的利益，同時不能對授權(quán)使用該頻譜的業(yè) 務和系統(tǒng)造成嚴重的干擾，影響到其正常通信。由瑞典j o s e p hm i t o l a 博士于19 9 9 年提出的感知無線電( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 【6 】提供了一種按伺機( o p p o r t u n i s t i c ) 方式共享和利用頻譜的手段，可以有效解決這兩個問題，受到了學術界的廣泛關 注。 然而在感知無線電系統(tǒng)中，感知用戶是伺機式地利用頻譜，其可利用的通信 資源非常有限，再加上路徑損耗和多徑衰落的影響，使得感知用戶的傳輸性能難 以得到充分的保障。引入?yún)f(xié)作通信后，多個感知用戶之間通過相互協(xié)作，可以有 效改善感知用戶系統(tǒng)的性能。協(xié)作通信的思想來源于多輸入多輸出( m i m o ) 技 術 7 - s 】在2 0 世紀9 0 年代，人們發(fā)現(xiàn)使用多輸入多輸出技術可以能夠更高效地 利用有限的通信頻譜資源，在不增加通信資源的情況下，提高系統(tǒng)的性能。但是 在實際的無線通信系統(tǒng)中，由于移動終端的體積、質(zhì)量和功耗等因素，很難在移 動終端安裝多個天線，導致難以實現(xiàn)上行的發(fā)送分集。為了克服這個難題，研究 人員提出了種新的空間分集技術協(xié)作通信。網(wǎng)絡中的多個用戶終端通過協(xié) 作，形成一個虛擬的多天線陣，從而獲得空間分集增益的方式( 也稱為協(xié)作分集) ， 能夠有效地對抗信道多徑衰落、碼間串擾，從而提高系統(tǒng)的性能。 4 第1 章緒論 1 2 感知無線電技術的研究現(xiàn)狀 感知無線電是目前無線通信領域的研究熱點之一，目前，國內(nèi)外各大高校， 科研院所都在從事相關研究： 瑞典皇家工學院( s w e d i s hr o y a li n s t i t u t eo f t c c h n o l o g ) ，k t h ) 的無線系統(tǒng) 研究中心( w i r e l e s s k t h ) 是感知無線電的發(fā)源地，j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年提出了感知無線電概念，并系統(tǒng)地研究設計了無線電知識描述語言( r k r i ) ， 目前該中心主要集中在軟件無線電和動態(tài)頻譜接入這兩方面團。 美國加州大學伯克利分校( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i aa tb e r k e l e y ) 無線研究中 心( b e r k e l e yw i r e l e s sr e s e a r c hc e n t e r ，b w r c ) 的b r o d e r s e n 教授及其領導的研 究小組與柏林技術大學( t e c h n o l o g yu n i v e r s i t yo fb e r l i n ) 聯(lián)合，提出了一個基 于感知無線電方式使用虛擬非授權(quán)頻譜的c o r v u s ( ac o g n i t i v er a d i o a p p r o a c h f o ru s a g eo f v h t u a lu n l i c e n s e ds p e c t r u m ) 體系結(jié)構(gòu)，給出了該體系結(jié)構(gòu)基本的應 用場景，并描述了評估系統(tǒng)性能的參數(shù)和粗略的系統(tǒng)協(xié)議功能體系。 德國k a r l s r u h e 大學通信工程研究所的f i e d r i c hj o n d r a l 教授及其領導的研究 團隊在德國研究基金項目t a k o k o 的資助下開展了對頻譜池共享相關技術的研 究f 5 一。所謂頻譜池共享，其基本思想就是將一部分分配給不同業(yè)務的頻譜合并 成為一個公共的頻譜池，頻譜池中的頻譜可以是連續(xù)的也可以是不連續(xù)的，整個 頻譜池又被劃分為若干個子信道。頻譜分配的基本單位子信道，在不對授權(quán)用戶 產(chǎn)生干擾的條件下，感知用戶可以租借該頻譜池的資源，以提高信道利用率【2 】。 此外，美國f c c 成立了頻譜任務工作組( s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e ) ，研 究感知無線電在內(nèi)的頻譜管理政策。i e e e8 0 2 工作組委員會啟動了8 0 2 2 2 標準 工作組，以發(fā)展無線區(qū)域網(wǎng)絡( 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 r a n ) 的物理層 和媒體控制接入層技術標準。軟件無線電論壇( s d r f o r u m ) 專門成立了感知無 線電研究組，研究感知無線電技術及其應用。i e e e 還專門發(fā)起了感知無線電技 術作為主題的i e e ed y s p a n 和i e e ec r o w n c o m 會議，另外，一些重要的無線 通信相關會議，如i c e 、i n f o c o m 和w c n c 等都開設了感知無線電技術專題。 與國外相比，雖然我國的感知無線電方面的研發(fā)起步較晚，但也受到了高度 重視，國家高科技技術研究發(fā)展計劃( 8 6 3 計劃) 和國家自然科學基金委都分別 從2 0 0 5 和2 0 0 6 年開始資助感知無線電技術研究項目，西安電子科技大學、電子 5 中山大學碩士學位論文 科技大學、西安交通大學聯(lián)合參與了國家高科技技術研究發(fā)展計劃設立的感知無 線電技術課題，從感知無線電物理層( p h y ) 和媒體控制接入層( m a c ) 的關 鍵技術、協(xié)議結(jié)構(gòu)體系、應用場景分析等方面進行研究。2 0 0 8 年國家自然科學 基金委信息科學部在感知無線電領域設立了重點項目群，進一步推動感知無線電 研究【2 】o 從上面的研究現(xiàn)狀可以看出，對感知無線電技術及網(wǎng)絡的研究方興未艾。目 前的研究涵蓋了p h y 層、m a c 層、無線資源管理層和網(wǎng)絡體系架構(gòu)的整個感知 無線電系統(tǒng)領域，通過對這些關鍵技術的研究，將會使感知無線電最終走上實際 應用之路。 1 3 協(xié)作通信技術在感知無線電中的應用 隨著感知無線電和協(xié)作通信技術的發(fā)展，將二者結(jié)合越來越受到關注f l o l 。這 是由于在感知無線電網(wǎng)絡設計中，還存在很多的問題，應用協(xié)作通信后能夠有效 地改善系統(tǒng)的性能。目前將協(xié)作通信應用到感知無線電網(wǎng)絡中主要涉及兩個比較 重要的方面： ( 1 ) 在授權(quán)用戶頻譜檢測方面：感知用戶需要檢測授權(quán)用戶是否在使用該 段頻譜，那么最主要的問題就是感知用戶如何快速和準確地檢測到授權(quán)用戶，根 據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整自身的通信參數(shù)，從而不對授權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾。由于授權(quán)用 戶和感知用戶之間不能直接進行信息交換，那么頻譜檢測工作只能依靠感知用戶 對授權(quán)用戶信息的截獲來進行。在截獲授權(quán)用戶信息的過程中，不可避免的受到 多徑、陰影以及本地干擾等因素的影響，容易造成“隱藏終端 和“曝露終端 等問題，導致感知用戶判斷結(jié)果出錯，從而使得感知用戶對授權(quán)用戶產(chǎn)生有害的 干擾或者丟失頻譜使用機會。目前的研究表吲1 1 1 2 1 ，采用協(xié)作頻譜感知策略，多 個感知用戶之間相互交換和融合檢測信息的協(xié)作方法，可以在一定的程度上提高 頻譜檢測的準確性，減少感知用戶對授權(quán)用戶的干擾和提高頻譜使用效率。 ( 2 ) 頻譜資源的合理利用：當獲得頻譜使用權(quán)之后，感知用戶要利用該段 頻譜來滿足自身通信服務質(zhì)量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的要求，同時還要不對 授權(quán)用戶產(chǎn)生影響。于是，感知用戶可能會爭搶資源，或是相互協(xié)作共享資源， 提高資源利用率。研究分析表明f 1 3 - 1 4 1 ，不同終端互相協(xié)作進行數(shù)據(jù)傳輸，可以有 6 第1 章緒論 效地提高通信的質(zhì)量。 將協(xié)作通信與感知無線電結(jié)合，主要有三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，如圖卜4 至1 6 所示： 圖1 - 4 是感知用戶之間通過協(xié)作來進行頻譜感知，檢測授權(quán)用戶是否正在使 用該頻譜資源；圖1 - 5 是感知用戶充當授權(quán)用戶的中繼節(jié)點，協(xié)助授權(quán)用戶進行 傳輸，從而為自己換來更多的頻譜使用機會；圖1 - 6 是感知用戶之間采用協(xié)作傳 輸，增強自身的通信性能，同時減少對授權(quán)用戶的干擾，這也是本文重點研究的 協(xié)作網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。 一級鏈路 二級鏈路 一級鏈路 二級鏈路 一 圖1 - 4 協(xié)作頻譜檢測 圖1 5 感知用戶協(xié)作授權(quán)用傳輸 7 j 一一一一一一一 一 一一一一一一。一 中山大學碩士學位論文 一二至三i 三熏二3 i i i 二級鏈路i l i 圖1 - 6 感知用戶之間協(xié)作傳輸 1 4 主要研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu) 一一1 i i i l i 一一j 本論文重點研究感知無線電中的協(xié)作中繼技術，通過對現(xiàn)有技術的深入分析 和比較，從感知中繼網(wǎng)絡中繼選擇和功率控制兩個方面出發(fā)，針對以往感知中繼 網(wǎng)絡中繼選擇和功率分配策略未能滿足感知用戶q o s 要求和對授權(quán)用戶干擾盡 可能小的要求的問題，將最小化發(fā)射功率的中繼選擇和功率分配策略應用到感知 中繼網(wǎng)絡中，并推導出在放大轉(zhuǎn)發(fā)( a m p l i 黟f o n ) l ，a r d ，a f ) 和解碼轉(zhuǎn)發(fā) ( d e c o d e f o m ，a r d ，d f ) 中繼系統(tǒng)中源節(jié)點與中繼節(jié)點的功率分配方案，在達到 相同的信噪比要求下，有效節(jié)省能量的開銷和在滿足授權(quán)用戶干擾限的前提下， 使感知用戶獲得更高的信噪比要求，并且通過仿真對結(jié)論進行驗證。論文結(jié)構(gòu)如 下： 第一章：敘述感知無線電的研究背景和研究現(xiàn)狀，簡要介紹感知無線電和協(xié) 作通信的基礎知識，最后給出了本論文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。 第二章：首先介紹感知無線電的相關概念、基本原理和關鍵技術，接著介紹 了協(xié)作通信的基本技術原理和具有的優(yōu)勢，并探討如何將協(xié)作通信的技術應用到 感知無線系統(tǒng)中，來進一步的提高感知無線電系統(tǒng)的性能。 第三章：首先介紹感知中繼網(wǎng)絡的協(xié)作機制，給出了感知中繼網(wǎng)絡的系統(tǒng)模 型，進而提出了感知中繼網(wǎng)絡中中繼選擇和功率控制的問題，即在不對授權(quán)用戶 產(chǎn)生有害干擾和滿足感知用戶q o s 的前提下，如何從眾多的可用中繼節(jié)點中選 擇最合適的節(jié)點和如何在所選定的中繼節(jié)點與源節(jié)點之間分配功率，從而更加有 8 第l 章緒論 效地提高感知用戶的傳輸性能。將最小化發(fā)射功率的中繼選擇和功率分配策略應 用到感知中繼網(wǎng)絡中來，不僅滿足了感知用戶的q o s 要求，也能在有效的保證 授權(quán)用戶不受到來自感知用戶的有害干擾的條件下進一步減少對授權(quán)用戶的干 擾，還可以節(jié)省能量的開銷，提高能量的效率，從而有效地延長感知無線終端電 池的使用時間。 第四章：是本文的重點部分，在最小化發(fā)射功率中繼選擇和功率分配策略下， 建立在放大轉(zhuǎn)發(fā)( a f ) 和解碼轉(zhuǎn)發(fā)( d f ) 中繼系統(tǒng)中的數(shù)學模型，并推導出在 相應中繼系統(tǒng)中的功率分配方案，通過仿真與直接傳輸、平均功率分配方案和隨 機選擇中繼策略進行比較，結(jié)果表明在最小化發(fā)射功率中繼選擇和功率分配策略 下，能夠以較小的發(fā)射功率達到相同的信噪比要求，而且在協(xié)作傳輸方案中，隨 著可用中繼用戶的數(shù)量的增加，其所需的發(fā)射功率在不斷減少：同時還比較了本 算法在a f 和d f 兩種中繼系統(tǒng)中的性能，結(jié)果表明在d f 中繼系統(tǒng)中，由于中 繼節(jié)點濾除了來自源節(jié)點信號中的噪聲，避免了噪聲的傳播，使得在d f 系統(tǒng)中 獲得更好的性能。但是當源節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)較差，并且中繼正確 解碼的信噪比門限較高時，在小信噪比要求下，算法在d f 系統(tǒng)中比在a f 系統(tǒng) 中性能差。仿真結(jié)果與理論結(jié)果相符合。 第五章：對本文的工作進行總結(jié)，并提出了需要進一步研究的問題。 9 第2 章感知無線電和協(xié)作通信技術概述 第2 章感知無線電和協(xié)作通信技術概述 2 1 感知無線電技術原理 2 1 1 感知無線電的概念和特征 感知無線電的概念是由瑞典j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年提出的【6 1 是軟件 無線電( s o f t w a r er a d i o ，s r ) 的進一步擴展，采用基于模式推理達到特定無線 相關要求的無線電，通過無線電知識描述語言( 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 ，r k r l ) 來描述無線電規(guī)則、設備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡、 用戶需求和應用場景的知識，以便增強個人無線通信業(yè)務的靈活性，使軟件無線 電更好地滿足用戶的需求。其中基于模式的推理和無線電描述語言( 鼬 p ，m a x ( o b 婦 具甲， 踟) ：業(yè)叢竺盤堂垃半型墼塑叢塑必4 l & ，( f ) 罟o ( f ) r p m ：! ! 星堅盟墨：塑絲基盥型二! 魚塑墨：! 塵 。v i 跖( f ) 鼬( 圳2 只( f ) + i ( f ) g 耐訓2 只( i ) - n s n r t h 黝= 擊；= 掣蔫瑞蒜嗇罱離半 p m “( i ) = i p 。再；e _ ，= 老船瓷箍黑凈糕蠢 t = n 奉s n i r hi 跖( f ) 1 2 一( i 踟( f ) 勛( f ) 1 2e 懈( d + l 孫( f ) 踟( f ) 1 2e 一( f ) + l 踟1 2 ) 步驟二：從m 個可選中繼節(jié)點中選擇所需功率最小的節(jié)點作為中繼節(jié)點， 其數(shù)學模型為： 只2 ( r 。a 洲i n ) ( 只叫( f ) + e 叫( f ”； 扛1 ，2 ，m ( 4 - 8 ) 根據(jù)步驟一得到的最小化發(fā)射功率分配方案，遍歷所有可用中繼節(jié)點，選出 所需枯射功窒最小的節(jié)占作為中琳節(jié)占協(xié)作溏節(jié)占講行佶輸。 4 1 2 性能仿真 采用與文獻【3 3 】相似的仿真場景，感知用戶網(wǎng)絡與授權(quán)用戶網(wǎng)絡共存。在該 場景下，存在著一個授權(quán)用戶的發(fā)射一接收對、感知用戶發(fā)射一接收對和有m 個 可選感知中繼用戶。 ( 1 ) 比較分析采用直接傳輸、中繼協(xié)作傳輸在平均功率分配( 源節(jié)點和中 繼節(jié)點采用相同的功率) 和最小化發(fā)射功率分配兩種功率分配算法的性能，使可 選中繼用戶m = l ，仿真模型如圖4 - l 所示： 3 5 中山大學碩士學位論文 ji 、r k 、 、一、- f i 。 。 i 、 、 驢二- 答 p t 圖4 1單個中繼的仿真模型 感知用戶源節(jié)點s 位于( o ，0 ) ，目標接收節(jié)點d 位于( 8 0 ，o ) 上： 有一個中繼節(jié)點r 位于( 3 5 ，2 0 ) 的位置上； 授權(quán)用戶的發(fā)射終端p t 位于( o ，8 0 ) ，接收終端p r 位于( 8 0 ，8 0 ) 上； 在仿真中采用歸一化的距離，將感知用戶源節(jié)點與目標接收節(jié)點的距離歸一 化為l ； 依據(jù)文獻【5 0 1 ，對于市區(qū)蜂窩場景，取路徑損耗因子口：3 ： 感知用戶的信噪比s n r t h 從4 d b 變化到2 0 如； 授權(quán)用戶的干擾限為i p = l d b ； 加性高斯白噪聲功率n = 1 。 基于平均信噪比和瞬時信道信息的仿真結(jié)果如圖4 2 和4 3 所示，圖中虛線 部分表示在該方式下由于授權(quán)用戶干擾限的限制，使得發(fā)射功率受到約束而不能 達到的信噪比要求。 第4 章最小化發(fā)射功率中繼選擇和功率分配策略在a f 與d f 感知中繼系統(tǒng)巾的應用 l ； o 亂 圖4 2 基于平均信噪比的仿真結(jié)果 圖4 3 基于瞬時信道信息仿真結(jié)果 3 7 1 霉；口1 中山大學碩士學位論文 從圖4 2 和圖4 3 可以看出，隨著信噪比要求的增加，所需的發(fā)射功率也不 斷的提高。在加入?yún)f(xié)作中繼的情形下，利用中繼的協(xié)作分集作用，無論在采用平 均的功率分配算法還是采用最小化發(fā)射功率分配算法，都能夠以更小的發(fā)射功率 達到相同的信噪比要求。在達到相同信噪比要求下，無論是基于平均信噪比還是 基于瞬時信道信息方法，采用最小化發(fā)射功率算法可以比直接傳輸節(jié)省最大達到 1 倍、比平均分配功率減少最大達4 0 的總發(fā)射功率，并且在直接傳輸中，由于 授權(quán)用戶的干擾限較小，為了不對授權(quán)用戶產(chǎn)生有害的干擾，發(fā)射功率不能過大， 所以能達到的最大信噪比要求較小，采用中繼的平均功率分配算法能夠在相同的 干擾限下達到的信噪比要求比直接傳輸提高接近1 倍，而采用最小化發(fā)射功率能 夠獲得接近直接傳輸2 5 倍的信噪比要求。 ( 2 ) 比較分析采用直接傳輸與采用中繼協(xié)作傳輸在最小化發(fā)射功率分配算 法下隨機選擇中繼和最小化發(fā)射功率選擇中繼兩種中繼選擇策略下的性能，使可 選中繼用戶m = 5 ，仿真模型如圖4 - 4 所示： j l ooo 2o ， 、 統(tǒng) 一 f i 垂穸- 蓉 p t隗 圖4 - 4 單個中繼的仿真模型 有5 個可用的中繼用戶，隨機分布于( 3 5 ，1 5 ) 、( 3 5 ，2 5 ) 、( 4 5 ，1 5 ) 和( 4 5 ， 2 5 ) 矩形區(qū)域內(nèi)； 其他參數(shù)與圖4 - 1 仿真模型的參數(shù)相同； 在仿真中采用歸一化的距離，將感知用戶源節(jié)點與目標接收節(jié)點的距離歸一 第4 章最小化發(fā)射功率中繼選擇和功率分配策略在a f 與d f 感知中繼系統(tǒng)中的應用 化為l 。 基于平均信噪比和瞬時信道信息的仿真結(jié)果如圖4 5 和4 6 所示，圖中虛線 部分表示在該方式下由于授權(quán)用戶干擾限的限制，使得發(fā)射功率受到約束而不能 達到的信噪比要求。 l - 霎 金 圖4 5 基于平均信噪比的仿真結(jié)果 中山大學碩士學位論文 。 ； o t a s n r t h d b 圖4 6 基于瞬時信道信息仿真結(jié)果 從圖4 5 和4 - 6 中可以看到，在最小化發(fā)射功率分配算法下，采用最小化發(fā) 射功率中繼選擇策略和隨機選擇中繼策略都能夠以比直接傳輸少的發(fā)射功率獲 得相同的信噪比要求。在達到相同信噪比要求下，無論是基于平均信噪比還是基 于瞬時信道信息方法，采用最小化發(fā)射功率中繼選擇策略最大可以比直接傳輸節(jié) 省多于3 0 和比隨機選擇中繼策略節(jié)省多于2 0 的總發(fā)射功率，并且在直接傳 輸中，達到的最大信噪比要求較小，而采用中繼的隨機選擇策略能夠在相同的干 擾限下達到的信噪比要求比直接傳輸增加接近8 0 ，而采用最小化發(fā)射功率中繼 選擇策略能夠達到的信噪比要求比采用隨機選擇的方式增加接近4 0 。 ( 3 ) 比較分析采用中繼協(xié)作傳輸在不同的可用中繼用戶密度下采用最小化 發(fā)射功率中繼選擇和功率分配的性能，使可選中繼用戶m4 , - - 5 和m = 5 0 兩種不同 的用戶密度，仿真模型如圖4 7 所示： 第4 章 最小化發(fā)射功率中繼選擇和功翠分配策略在a f 與d f 感知中繼系統(tǒng)中的應用 jl ooo o 一 7 - 八一 ； 口 蘿，答 p t 圖4 7 單個中繼的仿真模型 在第一種情形中有5 個可用的中繼用戶，隨機分布于( 3 5 ，1 5 ) 、( 3 5 ，2 5 ) 、 ( 4 5 ，1 5 ) 和( 4 5 ，2 5 ) 矩形區(qū)域內(nèi)； 在第二種情形中有5 0 個可用的中繼用戶，也是隨機分布于該矩形中； 其他參數(shù)與圖4 1 仿真模型的參數(shù)相同； 在仿真中采用歸一化的距離，將感知用戶源節(jié)點與目標接收節(jié)點的距離歸一- 化為l 。 基于平均信噪比和瞬時信道信息的仿真結(jié)果如圖4 8 和4 - 9 所示，圖中虛線 部分表示在該方式下由于授權(quán)用戶于擾限的約束，使得發(fā)射功率受到約束而不能 達到的信噪比要求。 4 1 薔 言 n 圖4 - 8 基于平均信噪比的仿真結(jié)果 圖4 - 9 基于瞬時信道信息仿真結(jié)果 j a o 艮 第4 竄最小化發(fā)射功率中繼選擇和功率分配策略在a f 與d f 感知中繼系統(tǒng)中的應用 從圖4 8 和4 _ 9 中可以得出，無論是基于平均信噪比還是基于瞬時信道信息 的方法，在加入中繼的協(xié)作傳輸中，協(xié)作分集隨著協(xié)作用戶密度的增大而提高， 而在采用直接傳輸中，用戶密度對傳輸?shù)男阅軟]有影響。這是由于協(xié)作用戶數(shù)的 增大，并且協(xié)作用戶隨機分布，從而使得某個( 或者某些) 中繼用戶所在位置的 信道狀態(tài)較好，能夠獲得更高的信道增益，進而能夠以較小的發(fā)射功率獲得相同 的信噪比要求，然而這一優(yōu)勢對于直接傳輸沒有造成任何的影響，因為中繼信道 狀態(tài)的好壞與直接傳輸沒有關系。在5 個可用中繼用戶的情形下，為了獲得相同 的信噪比要求，比在5 0 個可用中繼用戶的情形下，需要多最多達2 0 的總發(fā)射 功率；并且在相同的授權(quán)用戶干擾限的條件下，在5 0 個可用中繼的情形下比在 5 個可用中繼的情形下能夠獲得更高的信噪比要求，最大可以提高1 5 。 4 1 3 計算復雜度分析 如果潛在的中繼用戶有m 個，由算法的流程分析可得：采用最小化發(fā)射坊 率進行選擇