認知無線電促進毫微微蜂窩部署的研究.pdf

1、無線蜂窩網(wǎng)絡中，通信接入機會和更高服務質(zhì)量的需求，近三十五年來，持續(xù)增長，始終迫使人們?nèi)ジ痈咝У乩孟∮械念l譜資源。最近，認知無線電和毫微微蜂窩的涌現(xiàn)，勾勒出了智能頻譜和異構(gòu)組網(wǎng)的模式，引起了廣泛的關(guān)注。認知無線電技術(shù)，通過盡可能在時間和空間單位上利用浪費的或者未充分利用的頻率，來允許無牌設備無縫地與分配頻譜許可證持有者共存，被公認為革新的軟件定義無線電。在最初設計的宏蜂窩基礎架構(gòu)上，部署毫微微蜂窩，通過縮短發(fā)射機和接收機之間的距離，

2、無線鏈路質(zhì)量和頻譜復用機會都得到了提高。以上兩項技術(shù)相互滲透和融合，已經(jīng)成為一種趨勢。本文將基于認知無線電技術(shù)，來應對毫微微蜂窩覆蓋傳統(tǒng)宏蜂窩與生俱來的幾個關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，主要集中在毫微微蜂窩用戶的頻譜接入，異構(gòu)毫微微蜂窩網(wǎng)絡的兩層干擾，和毫微微蜂窩扶助小區(qū)邊緣宏用戶可靠通信的問題。具體內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下。
　　首先，詳細闡釋了頻譜感知的目的，基本原理，傳統(tǒng)方法和分類，認真比較了著名的主要頻譜感知方法的優(yōu)缺點，提出了頻譜感知服務器（

3、Spectrum-Cognizing Server：SCS）模型，在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡通信中，首次明確定位了感知功能的歸屬實體，提出了區(qū)分感知可行性的四種SCS運用。頻譜感知服務器能夠發(fā)揮服務器配置的優(yōu)勢提高單次感知的準確率，可以運用復雜度較高的感知技術(shù)，最小化對授權(quán)主用戶感知時造成的干擾，隨之最小化整個網(wǎng)絡的感知成本。并且將這個模型推廣運用到異構(gòu)毫微微蜂窩網(wǎng)絡，來規(guī)劃毫微微蜂窩用戶的動態(tài)頻譜接入行為，在與現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施和終端設計完全兼容的

4、情況下，SCS使得現(xiàn)有終端可以無縫接入認知毫微微蜂窩網(wǎng)絡。
　　其次，在深刻指出分布式頻譜感知方案三大固有問題的前提下，明確提出集中式認知無線電頻譜間隙與頻譜襯底兩種管理模式，用來有效地消除毫微微蜂窩兩層干擾。它是適合于上行鏈路和下行鏈路傳輸?shù)母蓴_抑止方案。在重申了認知環(huán)的三大基本任務之后，基于SCS對前兩個任務的解決方案，重點研究了第三個任務發(fā)送功率控制和動態(tài)頻譜管理。結(jié)合當今廣泛運用的正交頻分復用調(diào)制技術(shù)，在下行鏈路跨層干擾約

5、束下的可靠通信中，提出了采用認知無線電頻譜兩層模式的基于次梯度方法的最優(yōu)功率控制算法和低復雜度次優(yōu)方案。理論分析和大量數(shù)值仿真結(jié)果表明，提出的最優(yōu)算法，在傳輸速率方面，能媲美其他優(yōu)化算法的同時降低了復雜度，還優(yōu)于幾款經(jīng)典功率分配方案和傳統(tǒng)的頻譜間隙或頻譜襯底方案，因為最大化了多載波傳輸?shù)睦寐?。相比于最?yōu)方案，經(jīng)典注水，等功率，階梯比例功率分配，提出的次優(yōu)方法則更具有吸引力，以較低的復雜度，適中的峰均功率比，擁有了可觀的速率，利用了多載

6、波信道條件的優(yōu)點，取得了復雜度和性能的最佳折中。
　　第三，詳細闡釋了毫微微蜂窩的三種接入模式之后，指出自私的毫微微蜂窩很難選擇開放模式。進而提出了新穎的效益為驅(qū)動的中繼框架，以激發(fā)自私的毫微微蜂窩基站選擇混合接入模式，輔助宏蜂窩基站給其小區(qū)邊緣的用戶提供中繼服務，同時避免異構(gòu)毫微微蜂窩網(wǎng)絡中，限制性能提升的主要因素兩層干擾。提出了基于認知無線電頻譜拍賣的宏蜂窩基站頻譜管理方案。建模了與傳輸速率，歸一化拍賣投標參數(shù)，頻譜價格，中繼

7、補償因子和毫微微蜂窩接入模式控制參數(shù)相關(guān)的效益函數(shù)。提出了運用古諾博弈來建模毫微微蜂窩基站之間的競爭關(guān)系；和采用斯塔克爾伯格大博弈，來建模宏蜂窩基站和多個毫微微蜂窩基站之間的競爭與合作。據(jù)了解，是首次將古諾博弈和斯塔克爾伯格博弈結(jié)合來規(guī)范通信實體之間的交互行為。并且證明了古諾博弈納什均衡的存在性和唯一性，以及斯塔克爾伯格博弈均衡的存在性。重要的是，提出了實現(xiàn)斯塔克爾伯格均衡的補償因子和頻譜價格的具體確定算法，并且證明了兩個算法的收斂性。

8、設計了協(xié)議來規(guī)劃博弈框架的具體細節(jié)，圍繞三個方面中繼信道質(zhì)量，頻帶租賃中繼傳輸比例系數(shù)，和價格貼現(xiàn)因子的影響，做了大量的數(shù)值仿真，來驗證提出方案和算法的有效性。仿真結(jié)果表明提出的毫微微蜂窩混合接入機制可以實現(xiàn)雙贏，為小區(qū)邊緣的宏蜂窩用戶提供更好的服務質(zhì)量，毫微微蜂窩用戶則能獲得更多的頻譜準入機會。
　　本文研究的目的，是激勵部署采用集中式認知無線電頻譜管理的毫微微蜂窩基站，來適應即將到來的，高速率、低能耗、智能頻譜接入的第五代異構(gòu)