多用户协作网络中的中继和频谱分配方案探讨

龚霞　陈华南　朱永庆

现有的对认知协作网络中中继分配和频谱分配方案的研究大多都是基于单用户的，很少考虑到实际网络中多用户共存且同时有传输需求的情况，造成用户体验差等情况，为了解决这种问题，在保证用户基本通信条件的基础上，分别基于网络吞吐量最大、网络中断概率最小和网络能耗最小三个不同的网络目标，提出了三种多用户协作网络中的中继和频谱分配方案，并运用频谱聚合技术将分配给同一用户或中继的频谱聚合在一起进行数据传输服务。分析表明，所提算法提高了网络的性能，改善了用户体验，达到了节能的效果。

中继分配 频谱分配 网络吞吐量 网络中断概率

1 引言

由于近年来无线通信技术的不断发展、用户数以及用户数据服务速率的大幅提升，使得现有的频谱资源几乎都已被分配完，从而导致频谱资源变得极为稀缺[1]。然而由于频谱固有的分配方式，即分配给某一用户的频谱，当此用户没有传输需求时完全闲置，使得本就稀缺的频谱资源利用率极低。为此，提出了基于认知无线电的频谱感知技术，通过感知网络中的频谱状态，使有传输需求的用户动态接入空闲频谱，提高了频谱利用效率[2]。

但是，在认知无线电中，感知到空闲的频谱往往都是非连续的，然而碎片化的频谱大多难以满足如今高速发展的网络中进行数据传输的带宽需求[3]。并且，当网络中的用户数不断增加时，采用现有的连续频谱分配方式，不仅无法充分利用网络中现存的离散频谱资源，而且还会对已有的连续频谱资源进行分割，导致系统中频谱碎片数量的增加，而这些碎片很可能难以满足单个用户的带宽要求[4]。针对上述问题，频谱聚合技术应运而生，其核心思路是：将多个连续或离散频谱聚合在一起，形成一个更宽频谱[5]。频谱聚合技术的运用，一方面满足了不同的业务对带宽的要求，同时也能满足非授权用户的数据传输需求；另一方面，把这些空闲的频谱段聚合在一起，从而提高了频谱利用率，增加了网络的吞吐量，改善了网络性能[6]。

在实际网络应用中，由于无线数据传输中多径衰落、阴影遮蔽等条件的影响，使得远距离无线通信的信号质量较差、能耗较高。因此，针对这种情况，本文提出采用协作中继技术，以较长网络时延为代价，提高通信网络的质量，尤其是小区边缘用户，保障了其信息速率和服务质量要求。在中继协作网络中，运用频谱聚合技术，通过研究中继和频谱的分配策略，令用户在通信过程中不仅可以获得中继协作带来的分集增益，提高用户的信息速率，还可以克服传统的频谱分配策略带来的种种问题，充分地使用网络中离散分布的若干频谱资源，扩展实际的业务传输带宽，满足大多数用户对带宽大小的要求[7]。

上述过程得到的中继和频谱的分配方案能使得网络能量消耗最小。

4 结束语

本文针对实际无线通信网络中频谱资源短缺和利用率低的问题，结合中继协作技术和频谱聚合技术，从三个不同的角度探讨了多用户协作网络中的中继和频谱分配方案。主要包括基于网络吞吐量最大的中继和频谱分配方案、基于网络中断概率最小的中继和频谱分配方案、基于网络能耗最小的中继和频谱分配方案。通过本文的探讨，在结合中继的多用户协作网络中，根据不同的网络目标提出了相应的中继和频谱分配算法。经过分析，本文所提算法提高了网络的性能，改善了用户体验，达到了节能的效果，并且对于以后研究多用户共存的实际网络的优化方案具有一定的参考意义。

参考文献：

[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] 栾磊. 认知无线电中协作频谱感知关键问题的研究[D]. 长春： 吉林大学， 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] 楊洁. 中继协作通信系统中功率分配及能量效率研究[D]. 南京： 南京邮电大学， 2015.

[10] 叶帆. 无线协作网络中的中继选择技术研究[D]. 合肥： 中国科学技术大学， 2015.

[11] 周娟，葛万成，汪亮友，等. 基于动态频谱接入的载波聚合技术研究与实现[J]. 通信技术， 2015（9）： 1053-1057. ★