合作中继无线通信网络中断性能整改
第 1 章 绪 论
1.1研究背景及意义
近几年，随着无线移动通信技术的飞速发展，使得无线移动网络远远超出了有线网络，让人们可以随时随地和任何人进行交流。无线通信虽然取得了不错的成果，但是人们对未来无线通信系统的要求也更高了，例如需要有更高的传输速率，而且随着对无线通信的需求越来越多，使得本来就很少的可用资源越来越少。因此，在现有的无线网络上引入一种新的通信技术，使传输速率更高和网络覆盖面积更广，那就是合作通信。A. Sendonaris 等人[1,2]根据中继信道模型提出了合作通信的概念。其核心思想是通过多个节点间的相互合作来实现传输，从而提升整个合作通信系统的吞吐量、传输速率、频谱利用率和节约成本。合作通信的引入可以解决一些棘手的问题，并且远远超越传统的无线通信：可以抵抗衰落并且满足系统的服务质量需求。除此之外，合作通信技术还可以与其他的无线网络进行结合。值得一提的是它可以与认知无线电网络二者结合，进一步使频谱资源的利用率得到提高，得到更多的机会接入频谱。由于无线通信频谱资源是有限的，为了避免造成相互干扰，每个频段分配给某个特定的无线业务使用。目前授权频谱和非授权频谱[3]可构成静态的频谱分配的两部分。大多数的授权频谱都分配给电视等频段，少量非授权频谱分配如无线局域网等无线通信设施任意接入的频段。无线通信设备的不断发展会使非授权频段十分拥挤，这样授权频谱的利用率就相对来说比较低。另外美国联邦通信委员会(FCC)所提供的信息表明[4]，已分配的频谱利用率大约在 15%到 85%之间。这就需要一种新的技术将现有频谱资源作为研究对象进行研究来减缓当前的局势，于是认知无线电(CR,Cognitive Radio)出现了。为了提高频谱资源的利用率，认知无线电按照某种机会方式[6];在不影响授权频谱通信的过程中使用授权空闲频谱即频谱空穴[7];。当然要使频谱利用率得到很大地提高还需要设计一个有效的分配方法。
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1.2研究现状
无线中继模型最初由 Van Meulen[8]于 1977 年提出的，但合作的基本思想是两年后通过 Cover 等人提出的。合作中继的系统模型包括源节点、目的节点以及帮助它们传输信号的中继节点，这是最基本的中继模型，还可以将其进行扩展。通过合作可以提高系统容量、降低系统的中断概率、节省能源、提高网络的连通性。合作通信也是近几年研究的热点之一，然而为了给 MIMO 技术提供新的解决办法，将合作通信和物理层传输、无线网络信道等结合起来研究，提高系统的频谱效率，并融合了一些技术如功率分配[8-11]、中继选择[12-15]等。此外，合作通信还有一个优点就是不需要对硬件设备进行变动，只是对软件进行升级。由于合作通信有这么多的优点，合作通信被写进 WiMax 和 LTE 的相关标准中去。建立在软件无线电基础上所提出的认知无线电，最初由 oseph Mitola 博士于1999 年提出。认知无线电系统包括一个非授权的用户从用户(Secondary User);和授权的用户主用户(Primary User);，从用户需要监测主用户的行动并发现频谱空洞。从用户的接入方法可以有两种分别为覆盖式(Underlay);和潜伏式(Overlay);。在 Underlay 系统中，为了避免从用户对主用户的干扰，当主用户传输时，从用户被允许以机会方式;进行传输。在 Overlay 系统中，当主用户不进行传输或者从用户采用某种技术对主用户没有干扰时，从用户才可以传输。
第 2 章 合作中继网络的功率分配方案
2.1 引言
合作通信技术既包含了中继又包含了分集技术，可以抵抗信道衰落，改善系统的性能。合作通信可以简易地表述为：源节点的原始信息数据可以通过单个或者多个中继节点接收并且将通过中继节点进行处理转发，最后目的节点再通过采用最大化合并技术将接收到的信息数据进行合并可以获得分集增益，达到分集的目的。Laneman[48]首先提出了几种合作中继方式，合作中继网络中常用的中继方式有放大转发(AF)方式和译码转发(DF)方式。其中，放大转发和译码转发方式由于其简易吸引了不少的关注。功率的优化分配一直都是无线通信中研究的热点，即源节点和中继节点应该如何分配它们的功率以实现公平性并保证系统的服务质量。文献[1,2]只是考虑在等功率分配方案下对系统进行优化，虽然很容易实现等功率分配。但是在不考虑信道现实时，等功率分配很可能对系统造成很低的信道容量。为了充分利用每个节点个传输功率，文献[24]则考虑在源节点和中继节点有限的信道现实信息下，提出了以最小化系统的总功率为目标，中断概率为约束的分布式功率分配策略。文献[25]则将放大转发和译码转发方式的优点，提出了混合译码转发方式，在混合译码转发方式下以误符号率作为目标函数进行功率分配。文献[49]只是考虑在中断概率这个限制条件下，对混合译码转发方式下的合作中继网络进行性能分析，将其总功率作为目标函数，提高系统的性能。
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2.2 合作中继方式
在合作通信中，中继可以说是源节点和目的节点之间直接通信的一个辅助通道。合作通信过程中一个很关键的方面就是中继节点对来自源节点的信息处理。不同的处理方案导致了不同的合作通信方式。放大转发方式的基本示意图如图 2-1 所示。从示意图 2-1 可以看出无线通信过程可以分为两个阶段：第一阶段是每个用户的原始信息必须通过编码、调制这一过程后的信息数据，一部分被中继节点接收，一部分信息数据传输给基站，而中继节点和基站都将接收原始信息数据。第二阶段是先确定放大倍数，然后中继节点将收到的数据信息放大，并放大传输给基站。在这个过程中，中继节点只相当于一个简易的转发器，它对输入的信号只进行线性处理。最后基站再通过采用最大化合并技术将两个阶段接收到的信息数据进行合并处理。
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第 3 章 基于功率成本的双向中继网络功率分配.......23
3.1 引言....23
3.2 三节点网络模型........23
3.3 系统模型........25
3.4 中继选择和功率分配......26
3.4.1 中继选择 ......26
3.4.2 中断概率分析 ....27
3.4.3 最优功率分配策略 ........27
3.5 仿真结果与分析........29
3.6 本章小结........31
第 4 章 认知合作中继网络中的中断性能优化.....33
4.1 引言....33
4.2 基于合作通信的认知无线电模型的建立....33
4.2.1 合作通信在认知无线电中的应用 ........33
4.2.2 系统模型 ......35
4.3 认知合作中继网络中的中断概率最小化....38
4.4 仿真结果与分析........42
4.5 本章小结........46
第 4 章 认知合作中继网络中的中断性能优化
4.1 引言
前两章研究的最优功率分配问题主要是针对合作中继无线通信系统的性能进行研究。但是无线通信技术的广泛应用及无线网络大面积的覆盖使得单一的不考虑认知用户之间的合作的认知无线电网络已经无法适应和满足未来无限通信的需求。为了能够将认知无线电技术大规模地应用在无线通信系统中，可以将合作中继和认知无线电技术二者相结合以便提高认知合作中继网络的传输性能。因此，基于合作通信的认知无线电网络功率分配算法成为了研究的热点。本章基于文献[44,45]考虑了在认知合作中继网络中以中断概率为目标的最优中继选择和功率分配。文献[44]研究了基于协作通信的认知无线电网络中，满足对主用户干扰要求时，最大化系统传输速率的问题。建立凸优化模型，求解优化功率分配问题的最优解。通过对峰值干扰约束和平均干扰约束(对主用户的干扰)下的功率优化进行比较。仿真分析证明，相比于峰值干扰约束，平均干扰约束具有更好的传输速率。文献[45]在从用户发送端知道认知用户和主用户之间的衰落条件下，考虑基于OFDM的认知中继网络中的功率分配方案。功率优化的目标是最大化认知网络的瞬时容量。优化功率分配方案是在主用户所受干扰是平均干扰约束下，针对DF和AF中继帮助认知用户传输。然而文献[44,45]都是考虑在平均干扰或者峰值干扰约束下对传输速率或者容量进行研究。
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结 论
在频谱资源有限的情况下，随着未来无线通信系统的快速发展和人们对频谱资源的需求不断增加使得频谱资源匮乏。为了解决频谱资源匮乏这个问题，合作通信和认知无线电起到了十分重要的作用。如果合理有效地利用频谱资源，频谱资源的利用率就会相应地提高。无线网络大范围的覆盖，周围环境更加的复杂，是合作通信和认知无线电面临的新挑战，这也使得认知合作中继网络的发展成为必然。本文针对目前的热点问题（合作通信和认知无线电）进行了一些相关研究，主要从如下三方面考虑：
(1) 考虑合作中继网络的中断概率需求，研究了在总功率一定的条件下以最小化中断概率为目标的功率分配问题。本章首先分析了系统的中断概率，然后提出最优功率分配策略以尽可能地使得中断概率最小，最后给出仿真分析。仿真结果表明，在不同的信道条件下，三种不同合作方式下系统的性能相差较大。通过对比优化算法与等功率分配算法，本章所提出的优化算法能使中断概率降低，系统的传输性能提高。
(2) 针对双向多中继网络，以中断概率为优化目标，提出了基于功率成本的双向中继网络的最优功率分配策略。在无线通信网络中引入功率价格，将功率分配问题转变为功率成本的问题。利用拉格朗日乘子法，获得了最佳的中继和每个节点的最优值。理论分析和仿真表明，在无线通信网络中基于功率成本的功率分配策略更具有优势，并且该方法从功率成本的角度看待功率分配问题，具有较强的实用价值。
参考文献（略）