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基于协作中继的认知无线电功率分配算法研究

作　者: 滕鸿飞
导　师: 杨震
学　校: 南京邮电大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 认知无线电协作通信功率控制非合作博弈频谱共享
分类号: TN925
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,无线通信在人们的日常生活和社会发展的过程中扮演着越来越重要的角色,这也使得无线通信技术高速发展。然而,无线通信依赖无线频谱资源,而频率是一种非常有限的自然资源。现有的频谱固定分配方式很不合理,导致了频谱资源十分稀缺、授权频段利用率低下。近年的研究热点认知无线电(CR)技术,无需分配固定的频谱,通过对周围电磁环境的感知,占用空闲频段通信,提高了频谱利用率,被认为是解决上述问题的最佳技术。功率控制技术是无线通信也是CR的关键技术之一。合理地调整用户的发射功率,既要保证授权用户的正常通信,又能满足认知用户的通信需要。另一方面,协作通信技术近几年得到快速发展,其基本思想是无线网络中的各用户彼此间为对方转发信息,以此获得更大的空间分集。本文研究了基于CR系统的协作中继功率分配问题,在确保不影响授权用户正常通信的前提下,最大化通信效率,兼顾用户间公平,以达到对用户发射功率的较好优化,提高网络吞吐量。本文的研究工作包括认知无线电软硬件两个部分,主要工作和创新点如下:第一部分侧重利用功率控制技术提高无线通信系统性能的研究。首先,在基于频谱感知的认知无线电机会功率控制算法的基础上,将协作通信中的解码转发方式与之结合,提出了一种新的基于解码转发的认知无线电机会功率控制算法。通过仿真表明,该算法的适用范围更广,能在提高空间分集的基础上,提高系统吞吐量。其次,基于Goodman提出的非合作博弈模型,通过改进代价函数,提出了一种适用于CR的功率控制博弈算法,并证明了其纳什均衡的存在性和唯一性。通过仿真表明,新算法与几种经典的非合作博弈算法相比,不但有效降低了发射功率,提高了用户的收益,并且有很好的收敛性,对延时要求较高的CR系统非常适用。第二部分进行认知无线电硬件平台的研究,并验证理论成果。对CR软硬件平台的MAC层通信盟进行了设计与研发,最终的测试结果表明,设计的新通信盟,既可以满足终端多种业务的需要,也完成了最初设定的性能指标,为日后认知无线电的实际研制工作奠定了基础。论文最后对本文工作进行了总结,并对研究的领域进行了展望。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
缩略语  10-11
第一章绪论  11-15
  1.1 引言  11-12
  1.2 认知无线电技术及其研究现状  12-13
  1.3 研究内容和课题来源  13
  1.4 主要贡献  13-14
  1.5 结构安排  14-15
第二章认知无线电机会功率控制算法  15-28
  2.1 传统认知无线电功率控制算法  15-18
  2.2 能量感知结果与授权用户信号存在概率的关系  18-20
  2.3 认知无线电机会功率控制算法  20-26
    2.3.1 系统模型  21-22
    2.3.2 功率控制因子设计  22-25
    2.3.3 认知无线电机会功率控制算法与传统算法的比较  25-26
  2.4 本章小结  26-28
第三章基于解码转发的认知无线电机会功率控制算法  28-40
  3.1 认知无线电协作通信背景介绍  28-30
  3.2 基于解码转发的认知无线电机会功率控制算法  30-34
    3.2.1 系统模型及场景介绍  30-31
    3.2.2 解码转发中功率控制因子设计  31-34
  3.3 仿真与结果分析  34-39
    3.3.1 信道增益与功率控制因子关系  35-36
    3.3.2 系统容量  36-37
    3.3.3 感知信息与功率控制因子之间的关系  37-38
    3.3.4 认知用户最大发射功率对感知因子影响  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章基于非线性代价函数的功率控制博弈算法  40-58
  4.1 博弈论简介  40
  4.2 超模博弈和纳什均衡  40-41
  4.3 系统模型  41-42
  4.4 非合作博弈功率控制算法  42-47
    4.4.1 非合作功率控制博弈模型（NPG）  43-45
    4.4.2 具有代价函数的非合作功率控制博弈模型（NPGP）  45-47
  4.5 基于非线性信噪比代价函数的非合作功率控制博弈模型( NPGPSNR-NP)  47-52
    4.5.1 基于非线性代价函数的效用函数设计  48-49
    4.5.2 纳什均衡的存在性和唯一性  49-50
    4.5.3 与NPGP 最小信噪比限制对比  50-51
    4.5.4 算法流程  51-52
  4.6 仿真与结果分析  52-57
    4.6.1 各算法发送功率比较  53-54
    4.6.2 各算法效用函数比较  54-55
    4.6.3 各算法用户接收端信噪比和信道容量比较  55-56
    4.6.4 算法收敛性验证  56-57
  4.7 本章小结  57-58
第五章基于联盟博弈认知无线电软硬件平台MAC 层通信盟设计与实现  58-72
  5.1 基于联盟博弈认知无线电场景描述  58-60
  5.2 基于联盟博弈的认知无线电系统MAC 层功能  60-63
  5.3 通信盟模块设计  63-68
    5.3.1 基站的通信盟模块设计  64-66
    5.3.2 终端的通信盟模块设计  66-67
    5.3.3 功率控制算法设计  67-68
  5.4 软硬件平台实验数据  68-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
参考文献  74-77
攻读硕士学位期间发表的学术论文  77-78
攻读硕士学位期间参与的科研项目  78-79
致谢  79

基于协作中继的认知无线电功率分配算法研究

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