认知无线电网络中的频谱接入控制策略研究

Cognitive radio (CR), which can solve the conflict between scarcity and underutilization of spectrum, is a promising technique for the next generation mobile communications systems. Spectrum access control has become an important part of spectrum sharing. However, without consideration of the interference from CR system to the primary system, the user access control methods of traditional wireless networks are not applicable any more. To solve this problem, we start with the critical factors which affect the quality of service (QoS) of primary users (PUs), and set interference constraints for each PU according to its QoS, so as to decrease the outage probability of PUs as well as enhance the performance of CR system with the time variant of the QoS. Besides, multiuser diversity of the cognitive radio network is obtained by user selection, which is according to the Frobenius norm of channel matrices, while twice selection is adopted to reduce the complexity of our method for the applications in practical networks. Furthermore, Rayleigh quotient of channel matrices is utilized for the access control of CUs in the interference-alignment based distributed CR networks to constrain the interference to the primary system, so the harmful interference caused by the absence of PUs in the interference alignment process can be canceled and the sum rate of the CR system is increased.

认知无线电技术能够解决频谱资源稀缺性和频谱利用率低之间的矛盾，因而成为了下一代移动通信系统中最具前景的技术之一。频谱接入控制已经成为频谱共享策略的重要组成部分。然而，传统无线通信网络中的用户接入控制方案未考虑认知系统对授权系统的干扰，无法应用于认知无线电网络。本项目针对这一问题，首先从影响授权用户通信服务质量（QoS）的关键因素入手，根据每个授权用户的QoS要求设定干扰门限，降低授权用户中断概率并充分利用其QoS要求的时变性，提升网络性能；利用信道矩阵的F范数选择认知用户以获得认知网络的多用户分集增益，并采用两次选择的方式降低算法复杂度，使其适用于实际网络；最后针对采用干扰对齐的分布式多天线认知无线电网络，利用信道矩阵的Rayleigh商特性来限制接入的认知用户对授权系统的干扰，解决了由于授权用户不能参与干扰对齐过程而受到有害干扰的问题，提高了认知系统和速率。

本课题按计划针对认知无线电网络中的频谱接入策略、频谱共享及用户的服务质量（QoS）保障技术展开了持续的理论研究和应用探索。主要完成了以下工作：(1)认知无线电网络中基于自适应空间映射的频谱共享策略设计。根据授权用户接入的随机性，我们设计出一种频谱共享策略，以认知用户自适应频谱接入方案为核心，结合干扰消除和功率分配算法，在保证授权用户QoS要求的前提下进一步提高认知用户的和速率。(2)多天线认知无线电网络中基于子空间映射的频谱共享技术研究。针对集中式多天线认知无线电网络，分析了子空间映射能够为认知系统提供的通信机会，以及理想信道条件下的空间子信道分配方案；在此基础上，提出了一种基于子空间映射的频谱共享策略。根据认知系统的感知结果，计算可以利用的空间子信道数，通过认知用户接入控制和子空间映射避免或抑制系统间干扰，为认知用户提供通信机会。(3)认知无线电网络中基于干扰对齐的频谱共享问题研究与策略设计。针对分布式多天线认知无线电网络提出了一种基于干扰对齐技术的频谱共享策略。利用信道矩阵瑞利商的性质计算各认知用户对授权用户的最大干扰值，将其与授权用户可承受的最大干扰相比较，据此选取可接入的认知用户，在接入的认知用户之间采用干扰对齐进行频谱共享。该方案解决了认知无线电网络中授权用户不能参与干扰对齐过程而受到有害干扰的问题，将干扰对齐技术引入到了分布式认知无线电网络的一般性场景中。(4)围绕频谱共享与接入控制的拓展研究。针对超宽带（UWB）无线通信系统与传统窄带系统的频谱共享问题围绕课题任务进行了拓展性研究。为了提高UWB系统用户的性能，我们提出了一种适用于传输参考脉冲簇超宽带（TRPC UWB）通信系统的接收机设计方案，并对其误码性能进行分析；提出了一种提高超宽带接收机能量捕获效率的信号处理方法；提出了一种非相干超宽带通信系统的相位噪声分析方法；等。本课题共发表学术论文8篇，其中3篇已被SCI/EI检索；参加国内会议1次；申请国家发明专利3项。顺利完成了课题的原定任务。