[论文解读] Spectral Efficiency Optimized Adaptive Transmission for Cognitive Radios in an Interference Channel

Mehrdad Taki, Farshad Lahouti|ArXiv.org|Feb 28, 2009

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 17被引用 5

一句话总结

本文提出了一种无需协商的认知无线电传输方案，旨在衰落干扰信道中最大化认知链路的频谱效率，同时保证主链路的最小频谱效率。通过使用信噪比加干扰比（SNIR）反馈以及自适应调制/编码与功率控制，该方案利用一种快速次优算法实现接近最优的性能，在频谱效率方面优于传统的协作与频谱感知方法，且计算复杂度极低。

ABSTRACT

In this paper, we consider a primary and a cognitive user transmitting over a wireless fading interference channel. The primary user transmits with a constant power and utilizes an adaptive modulation and coding (AMC) scheme satisfying a bit error rate requirement. We propose a link adaptation scheme to maximize the average spectral efficiency of the cognitive radio, while a minimum required spectral efficiency for the primary user is provisioned. The resulting problem is constrained to also satisfy a bit error rate requirement and a power constraint for the cognitive link. The AMC mode selection and power control at the cognitive transmitter is optimized based on the scaled signal to noise plus interference ratio feedback of both links. The problem is then cast as a nonlinear discrete optimization problem for which a fast and efficient suboptimum solution is presented. We also present a scheme with rate adaption and a constant power. An important characteristic of the proposed schemes is that no negotiation between the users is required. Comparisons with underlay and interweave approaches to cognitive radio with adaptive transmission demonstrate the efficiency of the proposed solutions.

研究动机与目标

• 设计一种认知无线电传输策略，以最大化衰落干扰信道中认知链路的平均频谱效率。
• 在无需实时协调的情况下，确保主用户所需的最小平均频谱效率。
• 在认知链路上满足误码率（BER）与功率约束。
• 开发一种分布式、基于反馈的优化方案，仅在认知无线电上运行，无需用户协商。
• 在自适应传输条件下，其频谱效率优于传统的协作与频谱感知认知无线电方法。

提出的方法

• 认知发射机利用来自主链路与认知链路的归一化信噪比加干扰比（SNIR）反馈，自适应调整其传输模式。
• 该方案采用自适应调制与编码（AMC）技术，并结合联合功率控制，以在约束条件下最大化认知链路的频谱效率。
• 建立了一个非线性离散优化问题，约束条件包括主链路频谱效率、误码率（BER）以及认知链路的功率预算。
• 提出一种快速、次优的迭代算法，其最坏情况下的时间复杂度为O(Υ²)，显著低于穷举搜索的复杂度。
• 评估了两种方案：一种为可变速率与功率自适应，另一种为恒定功率与速率自适应。
• 优化过程仅在认知无线电上通过反馈完成，无需集中式控制或用户协商。

实验结果

研究问题

• RQ1 在衰落干扰信道中，如何在保证主链路性能的前提下最大化认知无线电的频谱效率？
• RQ2 在误码率（BER）与功率约束下，认知与主链路频谱效率之间的最优权衡是什么？
• RQ3 一种无需协商、分布式的认知传输方案能否在频谱效率上优于协作与频谱感知方法？
• RQ4 与固定方案相比，基于反馈的调制、编码与功率自适应如何提升系统性能？
• RQ5 在该认知无线电系统中，实现接近最优频谱效率的计算复杂度是多少？

主要发现

• 所提出的自适应传输方案在频谱效率方面接近计算量极大的基于遗传算法的解。
• 可变功率方案在认知链路的平均频谱效率方面显著优于协作与频谱感知方法。
• 恒定功率方案的性能几乎与协作方法相当，表明功率自适应是性能提升的关键因素。
• 当SNIR区域数（Υ）超过100后，性能提升可忽略不计，验证了Υ = 100为足够高的分辨率。
• 该算法的最坏情况时间复杂度为O(Υ²)，相比穷举搜索的O(NΥ)复杂度，计算负载大幅降低。
• 在大规模路径损耗模型中（路径损耗指数E = 3），收发机间距离增加会降低干扰，从而提升系统性能。