认知无线网中能量有效的双向中继传输方案设计与性能研究

Green communication with low energy consumption and high energy efficiency becomes an important design target for next-generation communication systems. As a new wireless network, cognitive radio, which has brought high spectrum utilization efficiency, also needs to improve its energy efficiency. This project applies the two-way relaying to cognitive radio networks in order to achieve high spectrum efficiency. Meanwhile, based on high energy efficiency, these schemes are designed, including cognitive two-way relaying assisted spectrum sensing, adaptive relay selection for bi-directional information exchange between secondary users in the multiple secondary networks coexisting with a primary network, and cognitive transmission scheme by jointly designing the spectrum sensing and the secondary transmission. Moreover, energy consumption of those schemes is evaluated to find the parameters of affecting the performance. Finally, parameter optimization and performance tradeoff function are investigated to achieve high energy efficiency of spectrum sensing and secondary information transmission. The project will exploit the effective techniques of performing low energy consumption for cognitive radio networks, which would provide both theoretical and technical supports for green cognitive radio communication.

降低能量消耗、提高能量效率的“绿色”通信系统成为未来通信系统设计的重要目标。作为一种新型的无线网络，认知无线网在提升频谱效率的同时，也必须关注其能量效率问题。本项目将具有较高频谱效率的双向中继技术应用于认知无线网络，从提高系统能量效率的角度，设计认知双向中继辅助下的频谱感知方案、主、次用户异构网络下自适应中继选择的双向信息传输方案、以及联合频谱感知与次用户双向信息交换的认知传输方案。同时，评价各个方案的能量消耗，找到影响能量有效的参数，并通过参数优化、建立性能折中函数等方法研究，探索提高认知无线网能量效率的有效途径，为认知无线网络绿色通信的实现提供理论支撑与技术支持。

认知无线网作为一种新型的无线网络，在提升频谱效率的同时，也必须关注其能量效率问题。本项目将具有较高频谱效率的双向中继技术应用于认知无线网络，从提高系统能量效率的角度，提出了频谱感知和次用户信息传输方案，具体方案如下。首先，为解决降低感知能耗与提高检测性能之间存在的矛盾，提出了联合预检测和休眠制的能量有效协作频谱感知方案，研究结果表明，此方案通过增加预检测提高了频谱感知的准确性，利用次用户休眠制降低了感知能耗，从而有效地解决了准确感知与低感知能耗之间的矛盾；在此方案基础上，联合考虑频谱感知与次用户双向信息传输，通过优化能量检测门限和检测及报告时间开销，在确保检测和虚警概率满足阈值条件下，求得最大单位能量传输的信息量，从而获得总能耗与吞吐量两个性能的折中；再次，为进一步提高认知无线网络的能量效率，将能量收集技术引入次用户节点，提出了带有能量收集的频谱感知和信息传输方案，研究结果表明，此方案在低的虚警概率（如0.01）下获得大于0.9的高检测概率的同时，还收集到了次用户正常工作所需能量；最后，为减小主用户干扰对次用户信息传输性能带来的影响，提高传输的能量效率，提出了自适应协作的次用户双向信息传输方案，并推导出次用户双向通信的中断概率闭式解、中断概率平台、有限分集复用折中闭式解，研究结果表明，此方案获得了比直接传输、单向中继传输、双向中继传输更小的中断概率平台，同时比单向中继传输、双向中继传输具有更好的分集复用性能。. 通过以上方案的设计及性能评价，发现了可以改善认知无线网络频谱感知和信息传输两个过程能量效率的方法，并通过理论推导与数值仿真，验证了所提方案的有效性，达到了预期的研究目标，为减少认知双向中继传输中的能量消耗问题，探索低能耗的认知无线电技术、实现认知无线网络的绿色通信提供了理论支撑与有效技术方案。