认知无线电中继协作系统性能分析与功率分配策略

发布时间：2019-05-08 09:36

【摘要】：当今无线通信技术主要面临频谱资源匮乏与信道衰落作用两大问题。随着无线通信技术的高速发展与广泛运用,无线通信技术在日常生活中随处可见,同时随之而来的有限频谱资源的匮乏问题也越发凸显。为了解决日趋紧张的频谱资源匮乏问题,人们提出了认知无线电(CR)的概念,即是在保证授权用户的通信质量的前提下,无线通信终端可以按某种伺机占用(Opportunistic Way)的方式工作在授权频谱段内来提高频谱利用率。另一方面,在应对信道衰落作用中,中继协作是近几年发展起来的一种空间分集技术,它能有效对抗无线信道衰落作用并提高无线通信系统终端性能指标。因此,基于认知无线电与中继协作两大技术所提出的认知无线电中继协作系统相关研究受到了学术界的广泛关注。其中认知无线电中继协作系统的中断概率、平均吞吐量、误码率都是上述领域所研究的热点问题。本文以双跳认知无线电中继协作系统作为研究背景,分别针对瑞利衰落信道(Rayleigh fading)模型下的认知无线电中继系统的中断性能以及功率分配问题进行了分析、研究,其中研究对象由设有若干主用户节点的主网络和设有若干次级用户终端(SU)的次级网络构成。为了保障主用户的服务质量,次级网络各终端之间的通信受主用户节点(PU)上频谱共享条件的严格限制,即其传输功率对各主用户节点的干扰受限于主用户的干扰功率限值。本文主要研究的认知无线电中继协作通信场景包括:单源节点、多中继、单主用户节点、多主用户节点、终端最大传输功率限制;研究的协作方式主要有:译码转发(DF)、放大转发(AF);研究的接收合并方式有最大比合并(MRC)、选择放大转发(S-AF)、联合中继转发(AP)。基于统计学和信息论,本文着重推导了不同系统通信场景、不同转发方式下的中断概率(OP)、平均吞吐量(EC)、误码率(SER)等一系列性能指标的闭合解析式来分析不同参数对系统中断性能的影响,并给出了各个通信场景下的最优功率分配(OPA)方案。本文主要研究工作包括:1.分别针对基于MRC、AP的单主用户多中继认知协作DF中继系统推导得到其中断概率、平均吞吐量、误码率的闭合公式;2.分别针对基于MRC、AP的多主用户多中继认知协作DF中继系统推到得到其中断概率;3.分别针对在最大传输功率限制下的基于MRC、AP-DF的单主用户多中继认知协作DF中继网络系统的推导得到中断概率闭合公式;4.分别针对在最大传输功率限制下的基于MRC、AP的多主用户多中继认知协作DF中继网络系统推到得到其中断概率闭合公式;5.分别针对基于S-AF、AP-AF认知无线电中继协作系统推到得到中断概率闭合公式;6.分别针对在最大传输功率限制下的基于S-AF、AP-AF单主用户认知无线电中继协作系统的中断概率闭合公式进行推导;7.分别针对基于S-AF、AP-AF认知无线电中继协作多主用户系统的中断概率闭合公式进行推导;8.针对MRC-DF、AP-DF、S-AF、APAF认知无线电中继协作系统OPA策略研究,通过拉格朗日乘子法推导得到各次级终端上的最优传输功率并比较OPA策略与平均功率分配下的中断概率、平均吞吐量;最后本文不仅给出上述基于不同通信场景下中断性能仿真曲线来验证相应理论公式推导的正确性,还对不同参数下的中断性能数值结果进行了比较,来深度分析各参数对系统中断性能的影响。由上述比较发现有如下参数规律:1.认知无线电中继协作系统的分集增益等于系统链路数量,系统中继终端的增多不仅有利于提高分集增益还能改善中断概率,而针对主用户数量的增加却会增大中断发生的可能性;2.各次级终端上最大传输功率的增大有利于改善中断性能。综上所述,本文较深入地研究了认知无线电中继协作系统在不同场景下的中断性能和功率分配策略。文中经过推导得到的多项中断性能指标的闭合解析式和功率分配方案充分考虑到了以往的研究中得不足,并在此基础上有所发展,这些研究成果可以为将来进一步研究工作和实际应用提供丰富的理论依据。
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【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN925

【参考文献】