龔霞　陳華南　朱永慶

現(xiàn)有的對(duì)認(rèn)知協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中中繼分配和頻譜分配方案的研究大多都是基于單用戶的，很少考慮到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中多用戶共存且同時(shí)有傳輸需求的情況，造成用戶體驗(yàn)差等情況，為了解決這種問題，在保證用戶基本通信條件的基礎(chǔ)上，分別基于網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大、網(wǎng)絡(luò)中斷概率最小和網(wǎng)絡(luò)能耗最小三個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，提出了三種多用戶協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的中繼和頻譜分配方案，并運(yùn)用頻譜聚合技術(shù)將分配給同一用戶或中繼的頻譜聚合在一起進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。分析表明，所提算法提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，改善了用戶體驗(yàn)，達(dá)到了節(jié)能的效果。

中繼分配 頻譜分配 網(wǎng)絡(luò)吞吐量 網(wǎng)絡(luò)中斷概率

1 引言

由于近年來無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展、用戶數(shù)以及用戶數(shù)據(jù)服務(wù)速率的大幅提升，使得現(xiàn)有的頻譜資源幾乎都已被分配完，從而導(dǎo)致頻譜資源變得極為稀缺[1]。然而由于頻譜固有的分配方式，即分配給某一用戶的頻譜，當(dāng)此用戶沒有傳輸需求時(shí)完全閑置，使得本就稀缺的頻譜資源利用率極低。為此，提出了基于認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)，通過感知網(wǎng)絡(luò)中的頻譜狀態(tài)，使有傳輸需求的用戶動(dòng)態(tài)接入空閑頻譜，提高了頻譜利用效率[2]。

但是，在認(rèn)知無線電中，感知到空閑的頻譜往往都是非連續(xù)的，然而碎片化的頻譜大多難以滿足如今高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨骩3]。并且，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)不斷增加時(shí)，采用現(xiàn)有的連續(xù)頻譜分配方式，不僅無法充分利用網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)存的離散頻譜資源，而且還會(huì)對(duì)已有的連續(xù)頻譜資源進(jìn)行分割，導(dǎo)致系統(tǒng)中頻譜碎片數(shù)量的增加，而這些碎片很可能難以滿足單個(gè)用戶的帶寬要求[4]。針對(duì)上述問題，頻譜聚合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其核心思路是：將多個(gè)連續(xù)或離散頻譜聚合在一起，形成一個(gè)更寬頻譜[5]。頻譜聚合技術(shù)的運(yùn)用，一方面滿足了不同的業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的要求，同時(shí)也能滿足非授權(quán)用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求；另一方面，把這些空閑的頻譜段聚合在一起，從而提高了頻譜利用率，增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，改善了網(wǎng)絡(luò)性能[6]。

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于無線數(shù)據(jù)傳輸中多徑衰落、陰影遮蔽等條件的影響，使得遠(yuǎn)距離無線通信的信號(hào)質(zhì)量較差、能耗較高。因此，針對(duì)這種情況，本文提出采用協(xié)作中繼技術(shù)，以較長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為代價(jià)，提高通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，尤其是小區(qū)邊緣用戶，保障了其信息速率和服務(wù)質(zhì)量要求。在中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用頻譜聚合技術(shù)，通過研究中繼和頻譜的分配策略，令用戶在通信過程中不僅可以獲得中繼協(xié)作帶來的分集增益，提高用戶的信息速率，還可以克服傳統(tǒng)的頻譜分配策略帶來的種種問題，充分地使用網(wǎng)絡(luò)中離散分布的若干頻譜資源，擴(kuò)展實(shí)際的業(yè)務(wù)傳輸帶寬，滿足大多數(shù)用戶對(duì)帶寬大小的要求[7]。

上述過程得到的中繼和頻譜的分配方案能使得網(wǎng)絡(luò)能量消耗最小。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)實(shí)際無線通信網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源短缺和利用率低的問題，結(jié)合中繼協(xié)作技術(shù)和頻譜聚合技術(shù)，從三個(gè)不同的角度探討了多用戶協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的中繼和頻譜分配方案。主要包括基于網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大的中繼和頻譜分配方案、基于網(wǎng)絡(luò)中斷概率最小的中繼和頻譜分配方案、基于網(wǎng)絡(luò)能耗最小的中繼和頻譜分配方案。通過本文的探討，在結(jié)合中繼的多用戶協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)提出了相應(yīng)的中繼和頻譜分配算法。經(jīng)過分析，本文所提算法提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，改善了用戶體驗(yàn)，達(dá)到了節(jié)能的效果，并且對(duì)于以后研究多用戶共存的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Liu X， Zhong W， Chen K. Optimization of Sensing Time and Cooperative User Allocation for OR-rule Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Network[J]. Journal of Central South University， 2015（22）： 2646-2654.

[2] 欒磊. 認(rèn)知無線電中協(xié)作頻譜感知關(guān)鍵問題的研究[D]. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2013.

[3] Tian H， Gao S， Zhu J， et al. Improved Component Carrier Selection Method for Non-continuous Carrier Aggregation in LTE-advanced Systems[A]. Vehicular Technology Conference （VTC Fall）[C]. IEEE， 2011： 1-5.

[4] Lee H， Vahid S， Moessner K. Utility-Based Dynamic Spectrum Aggregation Algorithm in Cognitive Radio Networks[A]. Vehicular Technology Conference （VTC Fall）[C]. IEEE， 2012： 1-5.

[5] Lee H， Vahid S， Moessner K. A Survey of Radio Resource Management for Spectrum Aggregation in LTE-advanced[J]. Communications Surveys & Tutorials IEEE， 2014，16（2）： 745-760.

[6] Rostami S， Arshad K， Rapajic P. Aggregation-based Spectrum Assignment in Cognitive Radio Networks[A]. ICACCS 2013 International Conference on[C]. IEEE， 2013： 1-6.

[7] Hussain S I， Qaraqe K A. Cooperative Relaying for Idle Band Integration in Spectrum Sharing Systems[A]. PIMRC 2013 IEEE 24th International Symposium on[C]. IEEE， 2013： 2723-2727.

[8] Xia Gong， Yifei Wei， Yong Zhang， et al. Spectrum Aggregation Strategy in Multi-user Cooperative Relay Networks[A]. FSKD 2015 12th International Conference on[C]. IEEE， 2015： 2196–2202.

[9] 楊潔. 中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中功率分配及能量效率研究[D]. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2015.

[10] 葉帆. 無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇技術(shù)研究[D]. 合肥： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2015.

[11] 周娟，葛萬成，汪亮友，等. 基于動(dòng)態(tài)頻譜接入的載波聚合技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 通信技術(shù)， 2015（9）： 1053-1057. ★