基于OFDMA的认知无线网络资源分配和中继选择研究

发布时间：2019-11-02 19:00

【摘要】：随着无线通信系统对各种高速率数据传输应用的支持,无线网络已成为我们日常生活的一部分。迅速发展的无线通信技术对频谱带宽需求旺盛,有限频谱资源即将耗尽,留给新无线产品可用的频段几乎没有。虽然过去静态频谱分配方案能够有效工作,但根据联邦通信委员会的观测数据,已分配频段在很多地方大部分时间都没有被利用。近年来涌现的无线服务和产品迫切需要接入稀缺的频谱资源。认知无线电是一种可能解决频谱拥堵问题的有效手段,它能够利用授权用户的频段,在授权频段空闲时传输次(认知)用户数据,有效提高频谱利用率。认知无线网络动态分配空闲信道,灵活满足不同用户服务质量需求。基于正交频分复用接入(OFDMA)的认知无线网络具有明显优势,它分析主用户频谱占用情况方法简单,具有动态分配资源的能力,充分利用任何空闲子信道,缓解资源短缺危机,OFDMA必将成为认知无线电系统的空中接口。主系统出租一些子信道给认知系统,次用户作为中继协作主用户传送数据。主用户的能量效率和次用户的频谱接入机会都提高,达到双赢结果,主次用户协作的认知系统被称为协作认知无线网络。然而主次用户如何共存面临一些挑战,诸如公平性、安全威胁和稳健性等需要进一步深入研究。本文对认知无线网络和协作通信系统资源分配技术进行了深入研究,所取得的主要研究成果为:1.为了满足正交频分复用接入无线网络多用户服务质量要求,提出了低复杂度动态资源分配算法。首先假设各个用户发射功率相同,按比例分配子载波。然后按照每个用户最小速率需求,确定各个用户最小发射功率。最后根据总功率大小以及用户所需最小发射功率,最大化整个系统容量。分析表明该方法可以得到接近最优的发射功率,仿真结果验证了理论的正确性,算法能够快速进行子载波分配和功率控制,满足无线通信实时要求。2.对协作认知无线网络的频谱效率和能量效率均衡进行了研究,提出了联合功率和子载波分配的方案。以最大化授权网络能量效率为目标分配资源,保证主次用户的最小速率要求。分析得到了最优发射功率和子载波分配方式,通过仿真验证了理论的正确性,提出的算法能够自适应分配协作认知无线网络资源。3.对多用户OFDMA协作认知无线网络低能耗资源分配方案进行了探讨。降低能量消耗是协作认知网络的主要目标之一,我们提出了加权功率和最小算法,子载波按照高可靠性原则进行分配。满足用户最小数据传输速率要求,通过拉格朗日对偶分解法,合理分配子载波和发射功率,仿真验证了该方法能够以较低复杂度分配主次用户资源。算法能够控制风险,最小化加权发射功率。4.研究了协作认知无线网络资源分配问题,考虑主用户能量效率和次用户频谱效率。被选中次用户作为主用户协作中继,前传主用户数据,并获得频谱接入机会。以上过程采用Stackelberg博弈描述,主用户作为领导者对时隙进行划分,清楚次用户协作策略。次用户根据时隙划分,在相应时段传输自己的数据,计算最优发射功率。以上资源分配方案可以控制主次用户发射功率、实现动态频谱接入。数字仿真结果表明:主用户通过次用户协作,能够减少能量消耗。5.研究了信道估计对协作无线网络动态资源分配影响,考虑到资源分配方案实现过程的实际问题,发送端往往只拥有非理想信道状态信息。采用导频MMSE信道估计算法估算信道状态信息,合理划分导频子载波和数据子载波的功率,最大化系统容量。多用户的子载波分配是一个NP难问题,把原问题转换为对偶问题,经过二次分解,变成多个子问题,并采用次梯度法搜索对偶变量,得到解的表达式。通过数字仿真验证了理论分析的正确性,算法在非理想信道状态信息条件下,可以提高系统性能。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.53

【参考文献】