基于凸优化的认知中继功率分配

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1、基于凸优化的认知中继功率分配摘要：该文研究了基于凸优化的认知中继功率分配问题。考虑在干扰温度的限制下，如何通过合理的子载波功率分配使得系统容量最大化。文章依据凸优化理论给出该问题的最优迭代算法，并从改善算法平均时间复杂度的角度加以改进，进而提出一种次优算法。数值仿真结果表明，次优算法相比最优算法有一定的性能损失，但是计算复杂度大大减少。关键词：认知无线电；协作传输；功率分配；凸优化分类号：TN925文献标识码：A文章编号：1009-3044(2013)07-1617-05认知无线电是一种能够有效解决频谱短缺并提高频

2、带利用率的无线通信技术［1］，它可以对频谱空洞进行检测并在不影响主用户网络(PrimaryNetwork)通信的情况下为次用户网络(SecondaryNetwork)提供频谱共享的接入服务。为了衡量次用户(SecondaryUser,SU)对主用户(PrimaryUser,PU)通信的干扰程度，文献［2］提出了认知无线电网络中干扰温度的概念，只要在主用户工作频段内，次用户的累积射频信号功率不能超过干扰功率门限。协作通信是一种能够有效对抗信道衰落、增加系统吞吐量的空间分集技术［3］。文献［3-5］提出了三种用于协作通

3、信的中继方案：放大转发(Amplify-and-Forward,AF)、解码转发(Decode-and-Forward,DF)和编码协作(CodedCooperation,CC),其中DF方案可以分为固定中继、选择中继和增量中继三种［4］。许多文献都对认知环境下协作节点的功率分配问题进行了研究。其中，正交频分复用(Orthogonalfrequency-divisionmultiplexing,OFDM)技术由于其在资源分配方面的灵活性，从而常用于协作节点的信号调制。文献［6］研究了基于OFDM的认知无线电系统加权

4、速率和最大问题，文献［7］针对基于OFDM认知协作系统的子载波功率分配问题提出了两种算法，文献［8］基于凸优化理论研究了次用户在一定发送时延限制下使节点发射功率最小化问题。需要说明的是，以上文献均假设每个次用户都具备认知能力，然而文献［9］指出这在现实通信中很难实现，故而提出在区域中设置具有认知能力的固定中继进行频谱感知并协作其它次用户的传输。本文研究了基于凸优化的认知中继功率分配问题。在文章给出的网络场景中，只有固定的中继节点具有认知能力，且该节点采用OFDM调制。考虑在干扰温度的限制下，如何通过合理的子载波功率

5、分配使得系统容量最大化。文章依据凸优化理论给出该问题的最优迭代算法，并从算法平均时间复杂度的角度加以改进，进而提出一种次优算法。数值仿真部分对文中所提的两种算法进行了对比。本文余下的内容是这样安排的：第二节给出了系统模型并对本文所分析的功率分配问题进行了描述，第三节推导了功率分配问题的凸优化模型，依据对该凸优化问题的求解提出了最优和次优功率分配算法，第四节对两种算法的性能做了仿真分析，最后对全文进行总结。1系统模型和问题描述1.1系统模型考虑如图1所示的认知无线电网络，由主用户网络和次用户网络构成。假设次用户网络被

6、分为三个扇区，扇区中的固定认知中继(CognitiveRelay,CR)和网络的接入点(AccessPoint,AP)构成了协作频谱感知系统，并负责协调次用户间的信道分配。SU不具备频谱感知能力，因为这在实际的通信环境中很难实现，且其必须在干扰温度的限制下进行通信。所有用户均配置单天线，既可以接收数据又可以发射数据。由于无线传播的广播特性，CR能够侦听到SU向AP的发射信息。我们考虑在中继节点采用增量DF中继模式，即只有在AP未能正确接收的情况下才转发SU数据。依据MAC(MediaAccessControl)层的

7、定义，一巾贞数据分［M］个时隙供［M］个用户接入，接入策略依据以下规则进行：1)当用户［SUi］发送数据队列非空时，其在所分配的时隙内依次发送数据;2）若AP正确接收，则发送一个ACK告知［SUi］和CR;反之，CR和［SUi］将数据保留在其队列；3）CR利用感知到的空闲时隙发送数据，若AP正确接收则发送一个ACK信号，相应的次用户将该数据删除；4）若在一帧时间内仍未能成功传输，则CR将该数据删除，由源节点负责重传。文献［10］的研究表明认知中继在扇区中的最佳位置位于扇区角平分线上，并且距AP的距离［DCR-AP］

8、满足其中，［P］表示扇区半径。该文亦依据这一结论设置各CR位置。2.2问题描述假设次用户网络信道衰落相互独立，每个次用户均采用时分双工模式通信。CR基于0FDM调制方式上行传输数据，其分得子载波信道［K］个，相应的子载波发射功率为［pk］，干扰噪声功率为［o2k］，链路增益为［hk］，则［K］个子载波上的吞吐量为需要指出的是，［K］个子载波并非只是传输一个用