● 摘要
扩频技术源于上世纪三十年代，是一项具有抗干扰、抗截获、抗多径、可实现码分多址（CDMA: Code Division Multiple Access）以及易与其它无线系统共存等优点的无线通信技术。自上世纪七八十年代在军事通信网络中获得应用以来，扩频技术已经被广泛应用于各类无线网络。本文主要研究与宽带直接序列扩频CDMA（DS-CDMA: Direct Sequence Spread CDMA）无线网络相关的资源分配问题，包括宽带、超宽带扩频自组织（Ad Hoc）网络媒体访问控制（MAC: Medium Access Control）协议性能分析、多媒体CDMA蜂窝网络上行鲁棒功率控制算法设计、Underlay动态频谱访问系统功率控制算法设计等三方面。在宽带、超宽带扩频自组织网络MAC协议性能分析方面，我们主要研究处理增益、同步时间以及由同步算法决定的二者之间的关系对MAC协议性能的影响。在建立了网络模型之后，我们首先推导了扩频自组织网络平均误码率，然后推导了非时隙扩频多址ALOHA（SS-ALOHA: Spread Spectrum ALOHA）和非时隙扩频冲突避让多址访问（SS-MACA: Spread Spectrum Multiple-Access with Collision Avoidance）两种典型MAC协议的吞吐量，从而建立了分析处理增益、同步时间等参数对吞吐量影响的理论框架。在此基础上，我们通过数值分析进一步揭示了处理增益、同步时间以及二者之间的关系对MAC协议性能的影响，为宽带、超宽带扩频自组织网络MAC协议设计及扩频系统同步算法设计提供了必要的理论基础。功率控制是CDMA技术在蜂窝网络应用中的关键技术。在多媒体CDMA蜂窝网络中，功率控制在确保带宽保障(Bandwidth-Guaranteed)业务用户服务质量的同时，为尽力而为(Best-Effort)业务用户分配尽可能高的数据率。因为业务突发性、链路增益估计误差以及小区间干扰等不确定因素会影响功率控制结果，降低传输可靠性，所以需要对功率控制算法进行鲁棒设计，以减小这些不确定因素的影响。我们从分析用户中断概率入手，通过将小区间干扰以及总干扰近似描述成对数正态分布随机变量推导出了用户中断概率的表达式，提出了一种可以用于验证尽力而为业务用户数据率分配方案可行性的迭代算法。在此基础上，我们分别研究了支持连续数据率和支持离散数据率的两类多媒体CDMA蜂窝网络上行链路的功率控制问题，提出了相应的鲁棒功率控制算法，并仿真验证了所提出算法相对于现有算法的性能优势。此外，我们还通过比较支持连续数据率和支持离散数据率两类CDMA蜂窝系统的性能揭示了降低数据率调节粒度对系统性能的影响。Underlay动态频谱访问系统功率控制问题可以分为功率与数据率联合控制和准入与功率联合控制。它们的目的都是要确保非授权次用户的接入不影响频谱资源授权主用户的服务质量。我们首先研究了功率与数据率联合控制问题，通过将最小数据率最大公平准则下的功率与数据率联合控制问题建模为准凹(Quasi-Concave)优化问题，提出了一种迭代功率控制算法。这种算法与将此问题建模为几何规划(Geometric Programming)并利用内点法求解的现有方法相比，不仅可以达到相同的性能，而且还可以有效降低计算复杂度。考虑到功率控制算法需要已知次用户到主用户以及次用户之间的链路增益信息，我们还提出了估计链路增益的方法，分析了链路增益估计误差的统计特性，研究了利用保护裕量来保证主用户和次用户服务质量的方法，分析了保护裕量随链路增益估计误差归一化标准差以及次用户数目变化的规律。Underlay动态频谱访问系统准入与功率联合控制的目标是在确保主用户服务质量的前提下为尽可能多的次用户提供有质量保证的服务。因为使得准入次用户数目最大的优化问题是不确定多项式时间完全(NP-complete)问题，计算复杂度随次用户数目指数增长，所以就需要设计低复杂度算法来满足实际系统的需求。我们从分析次用户发射功率约束条件入手，提出了一种可以预先判定次用户准入顺序的评估指标，进而设计了一种基于二分搜索的低复杂度准入与功率联合控制算法，并分析了所提出算法相对于现有算法在计算复杂度上的优势。仿真结果表明，所提出算法的性能与现有算法相当。