多用戶協作網絡中的中繼和頻譜分配方案探討

龔霞　陳華南　朱永慶

現有的對認知協作網絡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，很少考慮到實際網絡中多用戶共存且同時有傳輸需求的情況，造成用戶體驗差等情況，為了解決這種問題，在保證用戶基本通信條件的基礎上，分別基于網絡吞吐量最大、網絡中斷概率最小和網絡能耗最小三個不同的網絡目標，提出了三種多用戶協作網絡中的中繼和頻譜分配方案，并運用頻譜聚合技術將分配給同一用戶或中繼的頻譜聚合在一起進行數據傳輸服務。分析表明，所提算法提高了網絡的性能，改善了用戶體驗，達到了節能的效果。

中繼分配 頻譜分配 網絡吞吐量 網絡中斷概率

1 引言

由于近年來無線通信技術的不斷發展、用戶數以及用戶數據服務速率的大幅提升，使得現有的頻譜資源幾乎都已被分配完，從而導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，當此用戶沒有傳輸需求時完全閑置，使得本就稀缺的頻譜資源利用率極低。為此，提出了基于認知無線電的頻譜感知技術，通過感知網絡中的頻譜狀態，使有傳輸需求的用戶動態接入空閑頻譜，提高了頻譜利用效率[2]。

但是，在認知無線電中，感知到空閑的頻譜往往都是非連續的，然而碎片化的頻譜大多難以滿足如今高速發展的網絡中進行數據傳輸的帶寬需求[3]。并且，當網絡中的用戶數不斷增加時，采用現有的連續頻譜分配方式，不僅無法充分利用網絡中現存的離散頻譜資源，而且還會對已有的連續頻譜資源進行分割，導致系統中頻譜碎片數量的增加，而這些碎片很可能難以滿足單個用戶的帶寬要求[4]。針對上述問題，頻譜聚合技術應運而生，其核心思路是：將多個連續或離散頻譜聚合在一起，形成一個更寬頻譜[5]。頻譜聚合技術的運用，一方面滿足了不同的業務對帶寬的要求，同時也能滿足非授權用戶的數據傳輸需求；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，增加了網絡的吞吐量，改善了網絡性能[6]。

在實際網絡應用中，由于無線數據傳輸中多徑衰落、陰影遮蔽等條件的影響，使得遠距離無線通信的信號質量較差、能耗較高。因此，針對這種情況，本文提出采用協作中繼技術，以較長網絡時延為代價，提高通信網絡的質量，尤其是小區邊緣用戶，保障了其信息速率和服務質量要求。在中繼協作網絡中，運用頻譜聚合技術，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作帶來的分集增益，提高用戶的信息速率，還可以克服傳統的頻譜分配策略帶來的種種問題，充分地使用網絡中離散分布的若干頻譜資源，擴展實際的業務傳輸帶寬，滿足大多數用戶對帶寬大小的要求[7]。

上述過程得到的中繼和頻譜的分配方案能使得網絡能量消耗最小。

4 結束語

本文針對實際無線通信網絡中頻譜資源短缺和利用率低的問題，結合中繼協作技術和頻譜聚合技術，從三個不同的角度探討了多用戶協作網絡中的中繼和頻譜分配方案。主要包括基于網絡吞吐量最大的中繼和頻譜分配方案、基于網絡中斷概率最小的中繼和頻譜分配方案、基于網絡能耗最小的中繼和頻譜分配方案。通過本文的探討，在結合中繼的多用戶協作網絡中，根據不同的網絡目標提出了相應的中繼和頻譜分配算法。經過分析，本文所提算法提高了網絡的性能，改善了用戶體驗，達到了節能的效果，并且對于以后研究多用戶共存的實際網絡的優化方案具有一定的參考意義。

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