基于异步协作频谱感知的认知异构网干扰控制与资源分配研究

The complex variety of communications environment and the scarcity of spectrumresource restrict the performance of heterogeneous wireless communication network. Aim to co-channel deployment communicating environment, the topic will synthesize the factors of sensing accuracy, inner-layer or cross-layer interference and resource constraint to research Interference control strategy based on cognitive radio. The topic will design some improved asynchronous collaborative spectrum sensing algorithms and resource allocation optimization methods to restrain inner-layer or cross-layer interference and improve network throughput and resource utilization. Firstly, the topic will adopt random geometry theory to model the interference distribution characteristic from multiple perspectives to reflect the network properties of heterogeneity, randomness and spatial correlation. Secondly, the topic will analyze the key performance parameters and calculate two important factors, that is average channel quality factor and interference intensity factor. Thirdly, the topic will present improved asynchronous collaborative spectrum sensing algorithms and distributed resource allocation methods for different Femtocell deployment scenes by using run-length coding, D-S evidence theory, game theory, cluster analysis. This topic applies cognitive radio technology to optimize resources allocation in the heterogeneous network and reduce interference, thus to improve the whole capacity and spectrum efficiency of two-tier heterogeneous network. The research results will provide feasible ways to promote the development and application of heterogeneous network.

通信环境的复杂多样化以及频谱资源的稀缺性制约了异构无线网络的性能。本课题针对异构网络共信道部署通信环境，综合考虑感知精度要求、同层跨层干扰及资源约束等条件，研究基于认知无线电的干扰控制策略，通过设计新的异步协作频谱感知和资源分配优化方案，有效缓解层间层内干扰共存问题，进一步提升网络吞吐量和资源利用率。本课题首先采用随机几何理论对异构蜂窝网络的干扰分布特性进行多角度建模，反映其异构性，随机性以及空间相关性等，进而给出关键性能分析。在此基础上，通过引入平均信道质量因子、干扰强度因子，借鉴游程编码、D-S证据理论、聚类分析、博弈论等方面的理论和方法，结合家庭基站不同部署场景，提出低复杂度异步协作频谱感知算法和分布式资源分配算法。本课题将通过认知无线电技术优化异构网中的频谱资源配置，减少干扰，从而提高双层异构网整体容量和频谱资源的效率，为推动异构网的发展和应用提供可行途径。

随着移动通信数据业务流量迅速增长,现有的频谱资源已无法满足运营商的实际需求。异构网络增加对室内区域和多用户热点地区的覆盖，极大地满足用户数据需求。但由于小区基站部署的随机性，异构网中复杂的同层和跨层干扰大大降低了无线系统的网络性能。本项目针对基于认知无线电的宏基站与家庭基站双层无线异构网络架构，从抑制干扰和提高系统频谱效率角度出发，提出了一种基于随机几何理论和负载干扰感知的认知无线电异构网络干扰分析模型，衡量在家庭基站的干扰下宏蜂窝系统用户的性能、系统容量、系统的中断概率等变化情况。充分考虑了不同认知用户对不同异构信道感知性能的差异性、系统有效吞吐量以及感知时长，基于能量检测方法，提出基于启发式算法的异构多信道合作频谱感知方法。在检测概率和虚警概率的约束下，通过最优的确定感知任务的分配和感知时长的选取，使系统的有效吞吐量最大。针对现有频谱感知算法未考虑网络中恶意攻击节点或仅以节点实时差异性衡量其可信性的问题，提出基于证据推理与可信度计算的协同频谱感知算法，有效识别出恶意攻击节点提升网络通信整体安全可靠性。针对网络中频谱资源分配不均衡，频谱利用率低下，共信道干扰严重的问题，提出一种基于势博弈的子信道分配算法。针对引入认知家庭基站带来的跨层干扰问题，提出一种基于分层博弈的功率控制算法。同时分析研究异构网络中由于部署了家庭认知小基站引起的能耗问题。针对网络中的宏基站和家庭认知基站之间的跨层干扰问，提出了基于非合作博弈的功率控制算法。项目针对不同场景通过博弈模型动态地对无线网络资源进行合理、高效分配，有效抑制异构网中的同层干扰和跨层干扰，在保证网络服务质量的前提下进一步提升网络的资源利用效率和吞吐量。