认知无线电网络中频谱切换的研究

论文摘要

静态频谱分配体制导致的频谱利用率低下,已成为无线通信发展和应用的主要障碍之一,认知无线电作为一种智能的共享频谱技术,通过挖掘时域、频域和空域未充分利用的资源,可以缓解频谱资源紧张,有效提高频谱利用率。论文依托国家自然科学基金项目“基于认知无线电的网格网拓扑管理、MAC机制和自适应资源分配策略研究”,针对认知无线电中的频谱切换技术开展分析和研究,主要研究内容包括频谱切换的理论分析模型和多属性频谱切换机制。1)总结介绍认知无线电的研究背景、基本概念、关键技术和研究现状;分析认知无线电环境下频谱切换的需求、概念、触发场景以及当前典型的频谱切换机制、关键技术、频谱切换流程和存在的主要问题。2)针对频谱切换的理论分析模型进行分析和研究。在多信道和有限用户数的认知无线电系统中,采用连续马尔科夫模型对信道接入状态进行建模,分别分析不同信道带宽和不同授权用户接入(随机接入、全预留接入、伪预留接入和非随机接入)机制下的认知用户切换性能。分析结果表明,信道带宽越大,随着认知用户数的增加,认知用户的阻塞概率、强迫终止概率的增加速率越大,而授权信道的平均认知用户数增加速率越小;就不同授权用户接入机制下的认知用户切换性能而言,阻塞概率、强迫终止概率和切换概率随认知用户数的增加而增大,且随机接入由于授权用户接入随机性具有最大的切换概率,全预留接入由于预留信道的封闭性具有最大的阻塞概率和强迫终止概率,非随机接入由于授权用户接入的规则性具有最大的信道利用率。3)提出一种多属性频谱切换机制。该切换机制以满足认知用户业务的QoS需求为目标,通过分析空闲信道的可用性、信干噪比、信道容量、时延特性和误码特性等属性,基于满足多目标的业务QoS需求的信道匹配准则,并利用层次分析决策算法选择全局最优的切换信道。通过建立以多属性频谱切换机制为对象的系统模型,采用时间轴推进模拟多属性频谱切换的发生过程,分析不同认知用户数下的频谱切换统计参数性能,并与随机切换机制进行对比分析,结果表明,切换成功次数、切换失败次数、业务丢弃次数、碰撞次数随着认知用户数的增加呈增大趋势,且相比于随机切换机制,多属性频谱切换机制具有较高的可靠性和传输效率。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 认知无线电基本知识
• 1.2.1 认知无线电概述
• 1.2.2 认知无线电关键技术
• 1.2.3 认知无线电研究现状和面临的挑战
• 1.3 论文研究内容和章节安排
• 2 认知无线电的频谱切换理论
• 2.1 频谱切换
• 2.1.1 频谱切换概念
• 2.1.2 频谱切换场景
• 2.1.3 频谱切换机制
• 2.1.4 频谱切换关键技术及流程
• 2.2 频谱切换研究现状
• 2.2.1 基于组合概率理论的分析模型
• 2.2.2 基于排队论的分析模型
• 2.2.3 基于马尔科夫的理论分析模型
• 2.2.4 其它模型
• 2.3 本章小结
• 3 基于马尔科夫的频谱切换模型
• 3.1 基于不同信道带宽的马尔科夫模型
• 3.1.1 系统模型
• 3.1.2 认知用户性能指标
• 3.1.3 仿真分析
• 3.1.4 结果评价
• 3.2 基于不同授权用户接入机制的马尔科夫模型
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 认知用户性能指标
• 3.2.3 仿真分析
• 3.2.4 结果评价
• 3.3 本章小结
• 4 多属性频谱切换机制
• 4.1 多属性频谱切换匹配理论
• 4.1.1 频谱资源的多属性
• 4.1.2 认知用户业务分级
• 4.1.3 匹配准则
• 4.2 基于层次分析法的多属性频谱切换机制
• 4.2.1 层次分析法
• 4.2.2 多属性频谱切换机制
• 4.2.3 多属性频谱切换流程
• 4.3 仿真分析
• 4.3.1 仿真模型
• 4.3.2 分析和评价
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录