认知无线电频谱接入机制关键技术研究

论文摘要

认知无线电（CR, Cognitive Radio）作为一种以非授权方式动态接入授权频段的先进技术具有广泛的应用背景。其中频谱接入机制等关键技术是当前的研究热点,具有重要的理论意义及实际意义。本文在深入研究CR频谱接入机制的基础上,主要完成了以下具有创新性的研究成果：第一、针对CR周期性数据传输机制,提出一种传输效率最大化的帧结构设计方案。以最小化频谱感知时间和最大化系统吞吐量为目标函数,根据实际CR环境建立帧结构优化模型。通过数学推导和优化方法得到最优频谱感知时间、信道搜索时间和数据传输时间。数值及仿真结果表明,该帧结构设计方案能够根据具体CR环境有效提高系统传输效率。第二,针对动态变化的CR环境,在多主用户（PU,Primary User）系统中提出一种基于部分可观测马尔科夫决策过程的传输效率最大化频谱接入机制。在第一创新点的基础上,基于部分可观测马尔科夫决策过程设计自适应非周期频谱感知、数据传输和信道切换机制。通过双门限决策方式减小所提出机制的复杂度,并阐述单信道和多信道场景下该机制的区别。仿真结果表明,该接入机制能够根据冲突概率需求设定不同的门限达到最大化频谱利用率的目的。第三,针对多PU和多SU的CR场景,在考虑实际CR帧结构传输和非理想感知影响的前提下,分别提出两种排队模型和一种信道选择机制。首先在已有的一类虚警事件和两类漏检事件的基础上定义第三类漏检事件,针对PRP M/G/1排队模型分析这四类事件对PU和SU数据传输时间的影响,推导得到PU和SU数据传输时间一阶原点矩和二阶原点矩的解析解,得到M/G/1-R排队模型,解决实际CR环境和排队模型的衔接问题。其次在多优先级场景下,根据M/G/1-R排队模型,基于SU单位时间损耗,采用冒泡排序的方式设计多优先级排队模型——B-M/G/1-R,给出其能够最小化系统代价和SU数据传输中断次数的证明过程。最后在多信道场景下,根据M/G/1-R模型,设计一种基于数据传输中断次数的信道选择机制——M/G/1-LI,给出基于数据传输中断次数和基于数据传输延迟的信道选择机制之间的非冲突性证明过程。数值分析及仿真结果表明,M/G/1-R排队模型符合CR实际环境,B-M/G/1-R排队模型和M/G/1-LI信道选择机制能够降低SU数据传输延迟和中断次数。第四,针对WiMAX网络提出一种基于Cell-ID向量和隐半马尔科夫模型（HSMM,Hidden Semi-Markov Model）的移动终端定位方法。WiMAX网络在国内缺乏可用频段,是基于基站的通信系统,研究WiMAX网络得到的定位算法同样可以应用于其他基于基站通信的CR系统,具有积极的现实意义。首先引入WiMAX标准中的Cell-ID向量概念,结合修改后的HSMM和拓扑分区方法,提出一种移动终端定位算法。该定位算法具有定位信息简单化和低软硬件代价的特点。仿真结果表明,该定位算法能够有效提升定位精确度,并提供区域驻留时间预测新功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 认知无线电技术发展概述
• 1.2.1 认知无线电定义及架构
• 1.2.2 认知无线电技术的国内外研究现状
• 1.2.3 认知无线电标准发展
• 1.2.4 认知无线电网络频谱接入技术概述
• 1.3 认知无线电填充式频谱接入技术的研究现状
• 1.3.1 认知无线电帧结构设计研究现状
• 1.3.2 认知无线电频谱动态接入机制研究现状
• 1.3.3 认知无线电排队模型和多信道接入机制的研究现状
• 1.3.4 认知无线电系统定位机制的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排
• 第2章 认知无线电帧结构设计
• 2.1 背景介绍
• 2.2 基本概念
• 2.3 系统模型
• 2.4 最优频谱感知时间和最优信道搜索时间
• 2.5 最优数据传输时间
• 2.6 次级用户数据传输过程
• 2.7 数值及仿真结果分析
• 2.7.1 数值结果分析
• 2.7.2 仿真结果分析
• 2.8 本章小结
• 2.9 章节对应已发表的学术论文
• 第3章 基于部分可观测马尔科夫决策过程的动态频谱接入机制
• 3.1 背景介绍
• 3.2 基本概念
• 3.3 系统模型
• 3.4 基于POMDP的决策过程
• 3.4.1 状态空间、行为空间、状态转移矩阵和观测矩阵
• 3.4.2 信念向量及更新过程
• 3.4.3 系统收益和最佳行为选择过程
• 3.4.4 门限决策机制
• 3.4.5 单门限决策机制
• 3.5 仿真结果分析
• 3.6 本章小结
• 3.7 章节对应已发表学术论文
• 第4章 非理想感知条件下的认知无线电排队模型和信道选择机制
• 4.1 背景介绍
• 4.2 基本概念
• 4.3 认知无线电中的M/G/1修正排队模型
• 4.3.1 M/G/1-R系统模型
• 4.3.2 一类虚警事件和三类漏检事件影响下的认知无线电排队模型的修正方案M/G/1-R
• 4.3.3 M/G/1-R的数值及仿真结果分析
• 4.3.4 M/G/1-R结
• 4.4 一种基于系统代价和冒泡排序方式的M/G/1排队模型
• 4.4.1 系统模型
• 4.4.2 多优先级次级用户场景下的M/G/1-R
• 4.4.3 一种冒泡式多优先级排队方式B-M/G/1-R
• 4.4.4 B-M/G/1-R数值及仿真结果分析
• 4.4.5 B-M/G/1-R小结
• 4.5 统筹解决延迟和中断次数的认知无线电信道选择机制
• 4.5.1 M/G/1-LI系统模型
• 4.5.2 M/G/1-LI信道选择机制
• 4.5.3 M/G/1-LI仿真及数值结果分析
• 4.5.4 M/G/1-LI小结
• 4.6 本章小结
• 4.7 章节对应已发表学术论文
• 第5章 认知用户定位机制研究
• 5.1 背景介绍
• 5.2 基本概念
• 5.3 一种基于CELL-ID向量和HSMM的CR定位算法
• 5.3.1 Cell-1D信息交互方式和Cell-ID数据库的建立
• 5.3.2 HSMM建模
• 5.3.3 参数确定
• 5.4 仿真结果分析
• 5.4.1 仿真参数设置
• 5.4.2 Cell-ID-HSMM定位性能分析
• 5.5 本章小结
• 5.6 章节对应已发表学术论文
• 第6章 总结与展望
• 图表索引
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的学术论文目录