基于多用户协作的无线认知网络关键技术研究

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1、东南大学博士学位论文基于多用户协作的无线认知网络关键技术研究姓名：鲍煦申请学位级别：博士专业：信息与通信工程；通信与信息系统指导教师：宋铁成20110601摘要认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径，而将认知无线电技术与协作通信技术相结合，不仅能够增大系统吞吐量，提高信号空间分集，增强抗干扰能力，而且不影响授权用户的使用，充分利用频谱资源，解决授权频段利用率不高而非授权频段占用拥挤的矛盾

2、，对于研究下一代移动通信及自组织无线网络都有极其重大的意义。本论文主要研究了认知网络中的三种主从协作模型：中心控制式，盲协作式和协作式模型。分析了在这三种模型下的系统性能：包括系统中断概率，网络传输容量，主从用户协作数据链路协议，网络中最大节点空间密度及虚拟多入多出(VirtualMultipleInputMultipleOutput，VMIMO)信号及干扰的传输特性。论文首先提出一种中心控制式的认知网络模型。在该模型中，控制中心已知所有用户的位置并为每个主用户分配最近的从用户进行协作通信，控制中心通过从用户反馈的感知结果来

3、获取频谱空洞信息并为从用户分配工作频段。主用户利用正交子信道接入基站，从用户利用网络中未用的频谱空洞采用放大前传机制为主用户转发数据。推导了在该模型下主用户的中断概率，并对主用户发送概率，主从用户间发射功率的分配和主从用户个数对系统的影响进行了仿真。理论推导及仿真结果表明在此方案下主从用户平均分配发射功率系统性能最优，而从用户数目多于主用户数目时系统性能没有发生明显变化。其次，论文基于盲协作认知模型设计了一种新型的主从协作数据链路层协议。协议要求从用户具有两种存储队列，一种是存储主用户未发送成功的数据包，另一种存储从用户自身

4、的数据，从用户通过感知系统中多个频谱空洞接入信道并以一定的概率中继主用户未发送成功的数据包。在此协议基础上，分析了系统稳态吞吐量并给出系统的稳态条件，同时结合主用户时延的计算，给出了从用户中继概率的选择建议方案。理论分析和仿真结果表明从用户中继能够提高主从用户吞吐量并能在合适的从用户中继概率下降低主用户的时延。第三，论文提出了一种基于覆盖、共存模式的协作认知网络混合模型，在距I东南大学博十学位论文离主用户发送端较近处采用覆盖模型，即主用户把授权的频谱资源分配一部分给从用户，而从用户通过构建虚拟MIMO网络，采用DPC编码并利

5、用这部分授权频段与主用户协作传输；在距离主用户发送端较远处采用共存模型，即从用户通过控制传输功率或减少从用户空间密度来降低对主用户的干扰。推导了不同场景下最大从用户密度上下界并给出了最大值取值时最优功率控制参数和脏纸编码(DirtyPaperCoding，DPC)参数的数值。仿真结果表明采用虚拟MIMO技术时最大从用户密度远大于主用户直接传输场景下的从用户密度值。第四，论文提出了认知网络中主从用户利用虚拟MIMO技术的协作方案，推导了虚拟MIMO信号及主用户所受干扰的互补累积分布函数(ComplimentaryCumulat

6、iveDistributionFunction，CCDF)上下界及其渐近分布表达式，证明了其上下界具有相同的渐近分布，并在此基础上推导了主用户传输的成功概率。这些结论能够用于估计网络中主从用户最大的传输容量。关键词：认知无线电，协作认知网络，系统中断概率，网络传输容量，主从用户协作数据链路层协议，稳态吞吐量，虚拟MIMO，互补累积分布函数，泊松点过程HABSTRACTCognitiveradioisallintelligenttechnologythatcansearchandutilizetheidlespectrumre

7、sources．Itprovidesaneffectiveapproachthatsolvethecontradictionbetweenemergingwirelessservicesandspectrumshortage．Combinationofthecognitiveradioandcooperativecommunicationtechniquescannotonlyincreasethesystemthroughput，signalspatialdiversityandtheanti-interferenceab

8、ility,butalsotakefulladvantageofthespectrumresourceswithoutinterferingthelicenseduser．Thiscombinationtechniqueisaconsiderablesignificanceforstudy