基于比例公平调度算法的认知无线电系统性能分析

本文为进一步提高频谱资源的利用率，解决LTE系统中下行传输过程中比例公平算法下未被调度的用户问题，提出将认知技术融入比例公平调度算法中，因此，这些未被调度的用户就具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力，从而有效的利用频谱资源，同时提高系统的吞吐量。其次，由于认知用户(secondary user, SU)不仅要具有认知能力还要具有可重构性这一特性，即当主用户(primary user, PU)占用频谱时认知用户该做出怎样的反应，继续等待还是寻找新的子载波，针对这一问题，本文讨论了两种情况下的时延并给出判决依据。

目前通信业务的需求快速增长，频谱资源匮乏，然而，有些频带大部分时间是没有用户使用的，一些频带也只是偶尔会被使用，而剩余频带的使用则存在激烈的竞争。因此，如何能够在不同时空充分的利用空闲频带，提高利用率，成为人们非常关注的问题。认知无线电的提出为提高频谱利用率提供了新的方法。它的核心思想就是感知“频谱空洞”(已经分配给某用户而其在某一时间段却未使用的频谱资源)并且合理的利用。过去对认知无线电的研究主要局限在认知无线电本身。研究它的传输协议[1]，研究该系统下主用户和认知用户的吞吐量问题[2] [3]。

目前的研究主要集中在如何使认知用户和主用户采用协作的方式进行数据传输。比如文献[4]提出将认知无线电网络中的主用户和认知用户采取合作的方式，也就是说认知用户作为主用户的中继进行数据传输，来达到网络效率的最大化。随着对认知无线越来越深入的研究，近几年人们逐渐开始将认知技术应用到其它网络中，文献[5]就将认知技术应用到传感器网络中，研究系统的拥塞问题，从而达到提高服务质量和实时性的可靠应用的目的。此外，有效的资源分配方法也是解决频谱资源匮乏的一种有效途径。文献[6]研究了比例公平调度算法，它是兼顾系统性能和用户公平性的一种有效的资源分配方法。这种算法虽然是一种有效的折中算法，但也存在一定的不足，即未考虑未被调度的用户。另外，当一级用户到来时认知用户必须撤出，撤出以后认知用户该如何选择即如何重构问题也是必须考虑的一个问题。文献[7]仅给出了信道可用时间大于认知用户的传输时间时信道的分配方法，却未考虑信道可用时间小于认知用户的传输时间时的信道分配问题，这样就造成了一定的资源浪费。

本文在解决未被调度用户的问题上，提出将认知技术融入比例公平调度算法。这样未被调度的用户即可感知“频谱空洞”，利用主用户未使用的空闲频谱进行数据传输。来实现最大的资源利用效率。此外，本文还考虑了信道可用时间小于认知用户传输时间的问题，提出一种新的判决方法，解决认知用户该如何重构的问题。这种判决方法能有效减小系统时延，提高系统的效率。

2. 比例公平调度算法 比例公平调度算法是提供公平和整个系统吞吐量之间的一种折中算法，当用户需要传输信息时，就