非正交多址接入认知无线电网络优化设计与性能分析

Cognitive radio (CR) and non-orthogonal multiple access (NOMA) can supply efficient methods for resource sharing from frequency and channel domain, thus become two key technologies for the fifth generation (5G) mobile communications. In this project, NOMA is applied to CR networks, termed CR-NOMA, and the optimal design and performance analysis of CR-NOMA networks are investigated. Firstly, in order to solve the power competition among the multiple users, optimal power allocation schemes are proposed based on game theory to maximize the spectral efficiency. Secondly, from the perspective of Green communications, energy efficient resource allocation algorithms are investigated and some new methods are developed to solve the complex fractional programming problem. Lastly, the outage performance of the CR-NOMA system is studied, the closed form of outage probability and diversity order are derived. The results will provide performance criteria for the system designer. With these studies, we can provide theoretical methods and technical support for the optimal design of CR-NOMA multi-user system to realize multi-dimensional wireless resource sharing and management.

认知无线电（CR）和非正交多址接入（NOMA）分别从频率、信道提供了高效的资源共享方法，是下一代移动通信5G的关键技术。本项目将NOMA技术引入到CR系统中，研究CR-NOMA网络的优化设计和系统性能。首先基于博弈论提出最优功率分配方案，解决多用户间的功率竞争问题，以最大化CR-NOMA网络的频谱效率；然后从实现绿色通信的角度考虑，研究能量有效的资源分配优化算法，提出求解复杂非凸分数规划问题的新方法。最后对CR-NOMA系统进行理论性能研究，推导中断概率、分集阶数的封闭表达式，为系统设计者提供性能判据。本项目所获的结果将为CR-NOMA多用户系统优化设计，实现多维无线资源共享和管理提供理论方法和技术支持。

认知无线电（CR）和非正交多址接入（NOMA）是第五代移动通信的关键技术。本项目将NOMA技术引入到CR系统中，从提高频谱效率和能量效率两方面着手，对CR-NOMA网络重点展开了三个方面的研究。首先，本项目基于经验特征函数设计了一种健壮的频谱检测算法，有效提高非高斯噪声环境下的频谱检测性能，从而提高频谱利用率。然后针对具有不完美串行干扰消除的情况，研究了overlay频谱共享模式下CR-NOMA系统的中断性能和吞吐量性能，推导出主用户和次用户中断概率的理论表达式，并求出最优功率分配因子，以最大化系统的吞吐量。进一步地，针对underlay频谱共享模式下，研究了具有回环干扰的全双工CR-NOMA中继系统的中断性能，从理论上评估了全双工中继和半双工中继对CR-NOMA系统性能影响。最后为了提高能量效率，将携能无线通信（SWIPT）引入到CR-NOMA网络，研究了SWIPT-CR-NOMA系统的中断性能，定量评估SWIPT技术对CR-NOMA系统带来的影响。本项目所获得的结果，将为次用户选择频谱共享模式、中继工作方式提供理论参考，为系统设计者提供性能判据，在5G通信网络建设、物联网等方面具有应用前景。