認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)資源分配關(guān)鍵.pdf

1、隨著新的無線通信的快速發(fā)展，對(duì)頻譜資源的需求日益增長(zhǎng)，使得頻譜成為稀缺的資源。然而，當(dāng)前的固定頻譜分配政策造成對(duì)頻譜資源的低效利用，已成為未來無線通信發(fā)展的瓶頸。近年來，新興的認(rèn)知無線電（CR）技術(shù)使得未授權(quán)用戶或稱為次用戶（SU）能夠通過共享授權(quán)用戶或稱為主用戶（PU）的頻譜的方式來提高頻譜利用率，為新出現(xiàn)的無線業(yè)務(wù)和應(yīng)用提供帶寬，成為解決頻譜資源稀缺的一種有效途徑。
　　MIMO技術(shù)可帶來空間分集與復(fù)用增益，能夠顯著地提高無線

2、通信系統(tǒng)的傳輸可靠性以及頻譜效率，是未來無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，將MIMO技術(shù)引入到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，將在時(shí)間、頻率之外為認(rèn)知無線電接入授權(quán)頻譜的行為帶來額外的空間自由度。因此，對(duì)MIMO與認(rèn)知無線電相結(jié)合，研究認(rèn)知無線電環(huán)境下的MIMO網(wǎng)絡(luò)，即認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)，顯得尤其重要。
　　在認(rèn)知無線電環(huán)境中，為保護(hù)PU的信號(hào)傳輸，SU不能對(duì)PU造成有害干擾?；旧希琒U利用PU頻譜的方式可分為以下兩種：一種是機(jī)會(huì)頻譜接入（OSA）

3、，SU只接入未被PU占用的授權(quán)頻譜；另一種是共存頻譜接入（CSA），SU與PU同時(shí)共存，但需要抑制SU信號(hào)對(duì)PU的干擾在給定范圍內(nèi)，即滿足干擾/干擾溫度約束。
　　本文關(guān)注認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)，其中SU裝備多根天線或通過用戶間協(xié)作形成虛擬多天線。本文研究不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的認(rèn)知MIMO網(wǎng)絡(luò)的資源分配與管理問題。具體而言，我們考慮在保障PU的QoS的前提下，如何合理配置通信資源，包含發(fā)送功率控制、波束成形權(quán)值與預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)，從而使SU能夠

4、在對(duì)PU干擾最小化條件下，最有效的共享授權(quán)頻譜，如從中獲取最大的信息速率、信噪比（SNR）與吞吐量等。本文主要工作和貢獻(xiàn)可概述如下：
　?。?）提出一種認(rèn)知MIMO多址接入信道（MAC）中的最優(yōu)發(fā)送協(xié)方差矩陣設(shè)計(jì)算法。我們考慮由多個(gè)多天線SU發(fā)送端與一個(gè)多天線SU共同接收端構(gòu)成的認(rèn)知MIMO MAC場(chǎng)景。研究了在給定SU節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率與干擾溫度約束下，如何選擇SU的發(fā)送協(xié)方差矩陣使得認(rèn)知MIMO MAC的速率之和最大化，解決優(yōu)化問題

5、時(shí)，利用部分對(duì)偶分解技術(shù)松弛干擾溫度約束，將原始和速率最大化問題分解為兩個(gè)相互聯(lián)系的子問題。文中提出一種迭代算法，通過交替進(jìn)行對(duì)偶變量更新與順序迭代注水運(yùn)算求解分解后的子問題，得到使得和速率最大的最優(yōu)SU發(fā)送協(xié)方差矩陣。
　?。?）研究認(rèn)知MIMO干擾信道（IC）中的波形自適應(yīng)技術(shù)。我們考慮由多個(gè)獨(dú)立的SU節(jié)點(diǎn)對(duì)構(gòu)成的認(rèn)知MIMO IC中的波形自適應(yīng)問題，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)都包含有一個(gè)多天線SU發(fā)送端與多天線SU接收端。我們使用了非合

6、作博弈理論，在發(fā)送功率以及PU干擾溫度共同約束下，針對(duì)多個(gè)SU為最大化自身鏈路信息速率進(jìn)行的波形自適應(yīng)進(jìn)行建模，將其表示為Nash均衡問題；通過將Nash均衡問題轉(zhuǎn)換為等價(jià)的變分不等式問題，推導(dǎo)了Nash均衡唯一存在的充分條件；提出了一種帶價(jià)格系數(shù)的分布式發(fā)送功率迭代注水算法，即 MIMO-CR IWFA，用以解決上述Nash均衡問題；通過價(jià)格機(jī)制，即使用懲罰價(jià)格使得所有參與通信的SU改變發(fā)送波形，控制對(duì)PU的疊加干擾，從而在滿足PU的

7、干擾溫度約束時(shí)達(dá)到Nash均衡，最大化各自信息速率；同時(shí)給出了MIMO-CR IWFA算法收斂到唯一Nash均衡解的條件。
　　（3）研究認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)源功率控制與協(xié)作波束成形技術(shù)。我們考慮多個(gè)單天線的SU通過協(xié)作組成虛擬多天線，來獲得多天線系統(tǒng)所具有的空間分集性能，這樣的SU虛擬多天線系統(tǒng)即認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)。我們分別研究了在干擾溫度約束下以及干擾溫度與發(fā)送功率共同約束下的SU源節(jié)點(diǎn)功率控制與SU中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作波束成形問題，優(yōu)化的

8、目標(biāo)是使得SU目的節(jié)點(diǎn)的SNR最大。1）干擾溫度約束下的源功率控制與中繼協(xié)作波束成形問題被轉(zhuǎn)化為僅與源發(fā)送功率相關(guān)的廣義Rayleigh商問題，最優(yōu)波束成形權(quán)值為一個(gè)與源發(fā)送功率以及信道系數(shù)相關(guān)的矩陣的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，原始多變量問題被簡(jiǎn)化為求解源節(jié)點(diǎn)最優(yōu)發(fā)送功率的單變量問題。文中給出了嚴(yán)格干擾溫度約束下的解析解，對(duì)于寬松干擾溫度約束，文中進(jìn)一步給出了包含最優(yōu)發(fā)送功率的緊縮區(qū)間，并在該區(qū)間內(nèi)使用了基于最速下降的梯度方法求解。2

9、）對(duì)于發(fā)送功率與干擾溫度共同約束，我們首先解決在給定任意認(rèn)知源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率時(shí)，如何計(jì)算相應(yīng)的認(rèn)知中繼最優(yōu)協(xié)作波束成形權(quán)值。通過Dinkelbach型方法，這個(gè)問題被轉(zhuǎn)化為一系列二次約束二次規(guī)劃（QCQP）問題。利用半定松弛技術(shù)，這些 QCQP問題被轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诮鉀Q的半定規(guī)劃（SDP）問題從而可通過內(nèi)點(diǎn)方法求解。隨后，我們使用了一種基于粒子群優(yōu)化的隨機(jī)進(jìn)化計(jì)算方法來確定認(rèn)知源節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送功率。
　?。?）研究基于正交空時(shí)塊編碼（OS

10、TBC）的主次協(xié)作頻譜共享技術(shù)。依據(jù)OSA方式，SU可接入經(jīng)感知為空閑的信道。我們考慮了由一條單天線PU鏈路與單天線SU鏈路構(gòu)成的基本干擾信道，提出了一種SU與PU互相協(xié)作的頻譜共享方案。在此方案中，當(dāng)PU數(shù)據(jù)包未被其接收端正確接收時(shí)，SU主動(dòng)作為PU的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)隙通過OSTBC的方式協(xié)助PU再次轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，通過SU協(xié)作形成PU發(fā)送端的發(fā)送分集，降低PU數(shù)據(jù)包的中斷概率，創(chuàng)造出更多的空閑時(shí)隙。從而，利用這些空閑時(shí)隙的SU鏈路