基于ofdma的认知无线网络资源分配和中继选择研究

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1、学校代码107010710310281学号分类号TN82TN91公开密级西安电子科技大学博士学位论文基于OFDMA的认知无线网络资源分配和中继选择研究作者姓名：陈小毛一级学科：信息与通信工程二级学科：信号与信息处理学位类别：工学博士指导教师姓名、职称：欧阳缮教授2014提交日期：年9月ResearchonResourceAllocationandRelaySelectioninOFDMA-basedCognitiveRadioNetworksAdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfu

2、lfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyByChenxiaomao(InformationandCommunicationEngineering)Supervisor:Prof.OuyangshanSeptember2014摘要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

3、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

4、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

5、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

6、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。I西安电子科技大学博士学位论文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

7、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

8、性能。关键词：认知无线电，资源分配，中继选择，凸优化论文类型：应用基础研究类IIABSTRACTABSTRACTWirelesscommunicationshave