[论文解读] Optimal Power Control over Fading Cognitive Radio Channels by Exploiting Primary User CSI

Rui Zhang|ArXiv.org|Apr 10, 2008

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 21被引用 10

一句话总结

本文提出了一种新型的主用户容量损失约束（PCLC），用于衰落认知无线电信道中的最优功率控制，利用主用户（PU）链路的完整信道状态信息（CSI）。通过利用PU的CSI，认知用户（SU）动态调整其发射功率以最小化PU容量的退化，与传统的基于干扰温度的功率控制相比，SU的遍历容量最高可提升50%。

ABSTRACT

This paper is concerned with spectrum sharing cognitive radio networks, where a secondary user (SU) or cognitive radio link communicates simultaneously over the same frequency band with an existing primary user (PU) link. It is assumed that the SU transmitter has the perfect channel state information (CSI) on the fading channels from SU transmitter to both PU and SU receivers (as usually assumed in the literature), as well as the fading channel from PU transmitter to PU receiver (a new assumption). With the additional PU CSI, we study the optimal power control for the SU over different fading states to maximize the SU ergodic capacity subject to a new proposed constraint to protect the PU transmission, which limits the maximum ergodic capacity loss of the PU resulted from the SU transmission. It is shown that the proposed SU power-control policy is superior over the conventional policy under the constraint on the maximum tolerable interference power/interperferecne temperature at the PU receiver, in terms of the achievable ergodic capacities of both PU and SU.

研究动机与目标

• 解决传统干扰温度（IT）约束在保护主用户（PU）传输的同时，导致次用户（SU）吞吐量次优的问题。
• 探讨是否通过利用完整的PU CSI（超越仅SU到PU的信道增益）可实现更优的性能权衡，从而提升频谱共享认知无线电网络的性能。
• 设计一种新的功率控制策略，直接限制主用户最大遍历容量损失，而非约束干扰功率。
• 证明所提出的基于PCLC的功率控制相较于传统平均干扰功率约束（AIPC）在PU和SU遍历容量方面的优越性。

提出的方法

• 提出一种新的主用户容量损失约束（PCLC），限制因SU传输导致的主用户最大可接受的遍历容量损失。
• 推导在PCLC约束下的最优SU功率控制策略，该策略根据SU到PU以及PU到PU信道的衰落状态自适应调整发射功率。
• 以PU的遍历容量作为性能度量，约束条件为PU的可实现速率不得低于某一阈值（例如最大容量的95%）。
• 将所提出的基于PCLC的策略与传统的基于AIPC的功率控制进行对比，其中SU的发射功率受PU接收端平均干扰功率的限制。
• 采用瑞利衰落高斯多址接入信道（MAC）作为容量上限，以验证性能增益。
• 分析恒定功率（CP）和水填充（WF）PU功率控制策略，以评估PU功率自适应对SU性能增益的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统干扰温度约束相比，利用完整的PU CSI（包括PU到PU信道）是否能在认知无线电网络中实现性能提升？
• RQ2 在PU和SU的可实现遍历容量方面，所提出的基于PCLC的功率控制策略与传统的基于AIPC的策略相比表现如何？
• RQ3 PU自身的功率控制策略（如CP与WF）对所提出的SU功率控制策略的性能增益有何影响？
• RQ4 在PU发射功率随信道条件变化的场景中，所提出的PCLC策略是否更具有效性？
• RQ5 该认知无线电系统中可实现和容量的理论上限是多少？所提出的方案在多大程度上接近该上限？

主要发现

• 当PU容量损失限制在5%时，所提出的PCLC-based功率控制相比传统的AIPC-based控制，SU遍历容量最高可提升28%。
• 在PU采用水填充（WF）功率控制时，在相同的5% PU容量损失约束下，SU容量增益最高可达50%。
• 在所提出的策略下，SU容量仅在PU达到其最大可能的遍历容量（即无容量损失）时才降为零，表明实现了最优资源分配。
• 相比之下，在WF策略下，即使PU处于容量峰值状态，SU仍保持非零的遍历容量，显示出更高的频谱效率。
• 所提出的方法优于AIPC-based方案，因为它利用PU CSI，在PU信道处于深度衰落状态时（此时干扰影响最小）可发射更高功率。
• 基于辅助多址接入信道（MAC）推导出的容量上限表明，所提方案非常接近理论和容量极限，尤其在PU采用WF功率控制时更为显著。