认知无线电网络中频谱切换机制研究

摘要

高速发展的无线通信技术促使无线设备和新兴的无线业务不断增加，使得可用频谱资源的分配趋于饱和。无线频谱资源的匮乏成为制约无线通信技术进一步发展的瓶颈。然而，研究表明现有的频谱分配制度使得平均频谱利用率很低。认知无线电技术通过允许认知用户共享授权频段的方式能够极大地提高频谱利用率，缓解频谱资源紧缺与日益增长的频谱需求之间的矛盾。频谱切换作为认知无线电关键技术之一，能够保障认知用户在通信过程中的连续性和可靠性。本文以隐马尔可夫理论、排队论和动态规划理论为基础，深入研究频谱切换模型以及与之相关的到达率和服务率参数估计、目标信道序列选择问题，并提出了相应的解决方案。
　　首先，针对频谱切换过程中授权用户到达率与服务率很难实时地获取的问题，本文提出了基于隐马尔可夫模型的参数估计算法，为认知用户频谱切换提供依据。根据认知无线电网络特点，利用强占式排队论模型描述授权用户和认知用户的优先级关系，并建立相应的服务队列。在此基础上，推导出授权用户队列状态转移矩阵和混淆矩阵，从而将授权用户队列的状态转移过程与认知用户检测过程描述为隐马尔可夫随机过程。将认知用户频谱检测结果序列视为可观测序列，根据可观测序列采用前向-后向算法估计隐马尔可夫模型参数，从而间接地实现到达率与服务率估计。与传统的数据统计方法相比，本文所提出的算法更具有实时性，能够实时地较为准确地估计授权用户到达率与服务率，反映信道服务强度变化情况，从而为认知用户执行最优频谱切换方案提供决策支撑。此外，该算法具有灵活性，在一定信道条件下，能够根据估计精度和复杂度要求调整可观测序列长度。
　　其次，深入研究了基于续传和重传机制的强占式优先权排队模型中的频谱切换问题。在基于续传机制的强占式排队模型中，本文采用混合排队-并列服务的排队方式，并在此基础上分析认知用户频谱切换行为，从而推导出认知用户广义传输时间。根据最小化广义传输时间原则，提出了基于授权用户服务强度的自适应频谱切换方案。与已有的频谱切换模型相比，提出的改进频谱切换模型减小了广义传输时间，提高了认知用户频谱切换性能。为了进一步拓展频谱切换模型的研究，提出了基于重传机制的强占式排队模型。在分析认知用户频谱切换行为的基础上，推导出了广义传输时间和系统逗留时间。在分析不同授权用户服务时长分布对认知用户广义传输时间的影响的基础上，提出了重传机制下的自适应频谱切换方案。此外，研究了在给定时延限制条件下允许认知用户接入信道的可执行区域范围，为制定认知用户接入准则提供参考。
　　最后，针对认知用户在频谱切换过程中的能量效率问题，本文提出了基于能量效率的目标信道序列选择算法。对于认知用户频谱切换行为的描述，充分考虑多条信道、多次频谱切换、认知用户竞争关系以及授权信道繁忙概率的影响。根据认知用户频谱切换行为，分析其整个通信过程中的发射能耗、感知能耗、空载能耗、切换能耗以及单位带宽传输速率，从而建立以最大化能量效率为目标的优化问题。通过分数规划将原优化问题转化为新的优化问题。将新的优化问题视为一个多阶段决策过程，建立动态规划方程。结合动态规划算法和二分法获取新的优化问题的数值解。与已有的目标信道序列选择算法相比，本文所提出的算法能够获得更高的能量效率。

目录

第1章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2认知无线电定义及主要关键技术

1.3认知无线电及频谱切换国内外研究现状

1.4学位论文的主要研究内容

第2章 认知无线电频谱切换相关理论概述

2.1引言

2.2频谱切换概述

2.3隐马尔可夫理论

2.4基于强占式优先权排队论的频谱切换模型

2.5认知用户目标信道序列选择算法

2.6本章小结

第3章 授权用户到达率与服务率参数估计

3.1引言

3.2认知系统模型描述

3.3隐马尔可夫模型参数估计

3.4仿真结果与分析

3.5本章小结

第4章 基于强占式优先权排队模型的频谱切换方案

4.1引言

4.2基于续传机制的强占式排队模型

4.3基于重传机制的强占式排队模型

4.4本章小结

第5章 基于最优能量效率的目标信道序列选择算法

5.1引言

5.2频谱切换过程能效分析

5.3优化问题求解

5.4仿真结果与分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果

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致谢

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