协作认知无线电网络中基于频谱租赁模式的资源分配策略的研究

The combination of cooperative communication techniques is capable of enhancing the attainable bandwidth efficiency and simultaneously improving the throughput as well as reducing the energy consumption.Considering the selfishness and greediness of both the primary user and secondary user, this project will design a distributed ’Win-Win’ spectrum allocation strategy for a spectrum-leasing-based cooperative cognitive radio network supporting both multiple licensed and multiple unlicensed transmission pairs. Based on the proposed spectrum allocation strategy, the primary transmitter intends to lease part of its spectral resources to the best secondary transmitter in exchange for cooperative transmission assistance for the sake of minimizing its transmit power, whilst simultaneously improving its transmit rate. The secondary transmitter has an incentive to collaborate with the best primary transmitter for the sake of minimizing the its transmit power under the constraint of its transmit rate requirement, whilst simultaneously winning a transmission opportunity for its own traffic. Moreover, we analyse both the matching stability and the queueing stability of the cooperative spectrum leasing system exploiting the proposed distributed ’Win-Win’ spectrum allocation strategy.

将协作通信技术与认知无线电网络相结合不仅能够提高频谱利用率，而且能够进一步改善通信质量。考虑到协作认知无线电网络中主次用户的自私性与贪婪性，本课题拟针对由多个主用户传输对和多个次用户传输对组成的基于频谱租赁模式的协作认知无线电网络，设计一套分布式双赢频谱分配策略。依据所设计的频谱分配策略，主用户有意愿将其部分授权频谱租赁给最佳次用户，作为回报最佳次用户需要作为中继节点为该主用户转发数据。因此，主用户能够借助协作通信降低自身功率损耗并且提高传输速率。此外，次用户通过为最佳主用户转发数据不仅能够获得在授权频谱上传输自己数据的机会，而且能够在满足自己的传输服务质量要求的同时降低自己的功率损耗。为了完善研究工作，本课题拟对所设计的分布式双赢频谱分配策略的匹配稳定性和采用该频谱分配策略的队列系统稳定性进行分析。

将协作通信技术与认知无线电网络相结合不仅能够提高频谱利用率，而且能够进一步改善通信质量。考虑到协作认知无线电网络中主次用户的自私性与贪婪性，本项目针对由多个主用户传输对和多个次用户传输对组成的基于频谱租赁模式的协作认知无线电网络，设计一套分布式双赢频谱分配策略。依据所设计的频谱分配策略，主用户将部分授权频谱租赁给最佳次用户，作为回报最佳次用户需要作为中继节点为该主用户转发数据。因此，主用户能够借助协作通信降低自身功率损耗并且提高传输速率。此外，次用户通过为最佳主用户转发数据不仅能够获得在授权频谱上传输自己数据的机会，而且能够在满足自己的传输服务质量要求的同时降低自己的功率损耗。仿真结果表明本项目提出的多用户协作认知无线电网络中双赢频谱分配策略能够在降低能量消耗、提高传输速率的同时满足主次用户各自的自私性。此外，为了在移动蜂窝网络中支持D2D通信，本项目重点研究移动蜂窝边界用户和采用NOMA技术的D2D用户之间的覆盖式协作频谱共享机制和功率控制策略。本项目首先假设蜂窝网边界用户分享固定传输时间给D2D用户，设计了一个支持D2D通信的移动蜂窝网中基于共享频谱策略的协作功率控制算法。然后，本项目设计了一个基于覆盖频谱共享机制的D2D蜂窝网络协作资源分配策略。该策略通过计算蜂窝网边界用户最优时间分配系数和D2D发送端的最优功率分配系数，使蜂窝网边界用户和D2D用户获得最大收益，从而提高各自的传输速率，实现移动蜂窝通信与D2D通信并存。此外，本项目针对包含多个蜂窝网边界用户和多个D2D用户的蜂窝网，设计了多用户双赢互选协作资源共享策略。利用该策略，每个蜂窝网边界用户和D2D用户都可以根据最优策略和互选机制与最佳的协作伙伴形成协作匹配组。最后，本项目讨论多小区多基站协作面临的挑战，并设计了一种分布式多基站协作传输方案。该方案包括基于网络MIMO的多基站协作分簇策略、分布式多基站簇协作信息反馈传输机制和簇内基站协作功率控制策略。本项目所设计的分布式多基站协作传输方案能够明显提高系统的吞吐量，有效降低主干线路的信息传输量和中枢基站的计算复杂度。