[论文解读] Ergodic Capacity of Cognitive Radio under Imperfect Channel State Information

Zouheir Rezk, Mohamed‐Slim Alouini|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2012

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 26被引用 6

一句话总结

本文推导了在认知无线电系统中，当次用户发射机仅掌握干扰链路至主用户接收机的统计信道状态信息（CSI）和估计CSI时，最优功率分配与遍历容量。结果表明，在干扰中断约束下，高功率时容量增长受限，而低功率区域可实现接近理想性能。

ABSTRACT

A spectrum-sharing communication system where the secondary user is aware of the instantaneous channel state information (CSI) of the secondary link, but knows only the statistics and an estimated version of the secondary transmitter-primary receiver (ST-PR) link, is investigated. The optimum power profile and the ergodic capacity of the secondary link are derived for general fading channels (with continuous probability density function) under average and peak transmit-power constraints and with respect to two different interference constraints: an interference outage constraint and a signal-to-interference outage constraint. When applied to Rayleigh fading channels, our results show, for instance, that the interference constraint is harmful at high-power regime in the sense that the capacity does not increase with the power, whereas at low-power regime, it has a marginal impact and no-interference performance corresponding to the ergodic capacity under average or peak transmit power constraint in absence of the primary user, may be achieved.

研究动机与目标

• 分析次用户在次用户发射机仅具备有限信道知识的频谱共享认知无线电系统中的遍历容量。
• 在平均或峰值发射功率约束与干扰中断或信干比中断约束结合的条件下，推导最优功率分配方案。
• 评估次用户发射机至主用户接收机（ST-PR）信道的不完美信道知识对系统性能的影响。
• 通过高功率与低功率区域的渐近分析，理解在实际CSI条件下的性能极限。
• 通过统一各种干扰约束与功率约束，在单一分析框架中推广现有结果。

提出的方法

• 在平均或峰值发射功率与干扰中断约束下，建立最大化遍历容量的优化问题。
• 采用受干扰约束限制的水填充功率分配策略，通过拉格朗日对偶与互补松弛性推导得出。
• 引入对偶优化框架求解拉格朗日乘子，从而推导出不同信道实现下的最优功率分配方案。
• 将该方法应用于瑞利衰落信道，利用ST-PR链路的统计CSI与估计CSI。
• 推导出三种情形下的最优功率分配方案的闭式表达式：(1) 仅平均功率约束，(2) 仅峰值功率约束，(3) 同时存在平均功率与干扰约束。
• 采用渐近分析研究高功率与低功率行为，揭示在不完美CSI条件下的根本性能极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 ST-PR信道的不完美信道知识如何影响认知无线电系统的遍历容量？
• RQ2 在平均或峰值发射功率与干扰中断约束下，最优功率分配策略是什么？
• RQ3 干扰中断与信干比中断约束在系统容量影响方面有何异同？
• RQ4 在不完美CSI条件下，高功率与低功率区域的性能极限是什么？
• RQ5 在不完美CSI下，遍历容量能否趋近于无主用户系统的理想容量？

主要发现

• 在瑞利衰落信道下，干扰中断约束限制了高发射功率时的容量增长，即使功率增加也无法进一步提升容量。
• 在低发射功率时，干扰约束影响微弱，遍历容量趋近于无主用户的理想容量。
• 当平均发射功率 Pavg = 0 dB 时，遍历容量为 0.71 npcu；当峰值功率 Ppeak = 0 dB 时，在相同干扰中断约束（5 dB）下，容量为 0.6 npcu。
• 在高功率区域，平均功率与峰值功率性能差距缩小，此时干扰中断约束主导功率分配。
• 最优功率分配为受干扰约束限制的水填充方案，其显式表达式依赖于拉格朗日乘子与信道统计特性。
• 渐近分析证实，在高功率区域干扰约束成为主导因素，而在低功率区域信道统计CSI的质量决定性能。