认知无线电网络中基于多维频谱空穴的频谱共享研究

摘要

在静态频谱分配机制下,随着无线业务需求的不断增长,频谱资源日趋紧缺。而同时,无线业务的统计分布不均衡导致现有的授权系统中频谱利用率低下。动态频谱共享是提高频谱利用率、缓解频谱紧缺的有效手段。认知无线电的提出为该解决手段提供了有力的技术支撑。其基本思想是非授权用户(认知用户)通过对环境感知,在不对授权用户造成有害影响的前提下机会式地接入授权频谱的“频谱空穴”(即暂未被授权用户使用的频谱资源),从而实现动态频谱共享达到提高频谱利用率、缓解频谱资源紧缺的目的。
　　在认知无线电网络中,需要在不对授权用户造成有害影响的前提下,通过对频谱空穴的挖掘以及频谱空穴的利用实现动态频谱共享。本文针对动态频谱共享中的接入机制、资源分配及传输策略进行深入研究。根据频谱资源的多维空间映射,对频谱空穴的时、空、频特性进行分析。在此基础上,针对时域频谱共享认知无线电网络中的接入机制以及资源分配问题进行了分析与优化,以期提升时域频谱空穴的有效利用率,缓解目前频谱资源匮乏的问题;同时,针对联合空-时(空域与时域)频谱共享进行研究,对最佳的频谱感知策略进行研究并提出基于联合空-时频谱共享的合作中继传输机制以期提高频谱利用率以及频谱空穴的有效利用率。本文所涉及的主要研究内容如下:
　　(1)在时域频谱共享认知无线电网络中,传统的抢占式频谱接入机制下认知用户会由于授权用户的到达产生强制中断,由此产生的分组包丢包以及重传将会造成资源(功率以及频谱)的浪费。为了提高频谱资源的有效利用率,针对认知用户的业务平均服务时间远小于授权用户的业务平均服务时间的情况,提出了基于协商的非抢占式频谱接入机制。在该机制中,认知无线电系统通过频谱代理与授权系统实现协商,保障认知用户的传输不会发生中断,从而提高了传输的有效性。采用排队论将非抢占式以及传统的抢占式频谱接入机制下的频谱共享建模为多维Markov链,并利用分解方法对频谱共享Markov模型进行简化并得出状态稳态概率近似解的闭合表达式。通过对系统性能指标分析比较,可以得到基于协商的非抢占式频谱接入机制可以在不对授权用户QoS造成有害影响的情况下通过降低认知用户的强制中断概率提高了频谱空穴的有效利用率。
　　(2)为了保障多用户异构无线业务在认知无线电网络中的高效传输,提出了基于用户QoS需求的跨层联合资源分配算法。根据实时业务的延时敏感特性,设计了基于用户QoS需求以及授权用户邻信道干扰限制的动态优先级因子。建立了资源分配的优先级因子加权优化目标函数,并相应的给出了比特加载的低复杂度次优算法。该资源分配算法对PHY以及MAC层进行了联合跨层设计,充分考虑了认知用户的信道特性、队列状态以及业务需求。本文提出的资源分配算法在满足授权用户邻信道干扰限制以及实时业务QoS需求的情况下,提高了认知无线电系统性能从而提高了频谱空穴的有效利用率。
　　(3)针对可用频谱空穴的进一步挖掘,通过对联合空-时频谱共享认知无线电网络性能分析,提出了授权用户干扰限制条件下的最佳频谱感知时间以及联合空-时频谱共享的接入机制。根据认知用户频谱共享中对授权用户干扰的模型建立,明晰了授权用户干扰限制下空域频谱空穴与时域频谱感知性能的关系,并提出了联合空-时频谱共享的空域频谱感知机制。在分别给定检测概率与虚警概率的情况下,时域频谱感知时间与认知无线电系统平均吞吐量存在折中关系。通过建立最大化认知无线电系统平均吞吐量的目标函数,得到最佳频谱感知时间与相应的联合空-时频谱空穴,为联合空-时频谱共享提供了接入依据。
　　(4)为了充分利用联合空-时频谱空穴、进一步提高频谱利用率,提出了基于联合空-时频谱共享的合作中继传输机制。认知用户利用联合空-时的频谱空穴进行传输,并采用选择式解码转发合作中继传输机制,充分利用了频谱空穴的时-空-频特性以及多用户合作分集效应。根据频谱检测性能对瑞利衰落信道下的认知合作中继传输进行了建模分析,并推导给出了认知用户传输的中断概率闭合表达式。相对于时域、空域频谱共享的合作传输,联合空-时频谱空穴的合作传输中具有更小的中断概率。

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Contents

第 1章绪论

1 .1研究背景

1 .2课题研究的目的和意义

1 .3相关工作研究现状

1 .4本文的主要内容和结构

第2章时域频谱共享认知无线电网络中的频谱接入机制

2 .1引言

2 .2系统模型

2 .3性能指标

2 .4仿真结果与讨论

2 .5本章小结

第3章时域频谱共享认知无线电网络中异构业务的资源分配

3 .1引言

3.2 CRNs中的资源分配

3 .3邻信道干扰限制下CRNs中的资源分配

3 .4性能评估

3 .5本章小结

第4章联合空-时频谱共享认知无线电网络中的性能分析

4 .1引言

4 .2联合空-时频谱共享CRNs的系统模型

4 .3时域频谱感知

4 .4认知无线电系统可达吞吐量

4 .5仿真结果与讨论

4 .6本章小结

第 5章联合空-时频谱共享的合作中继传输

5 .1引言

5 .2合作中继传输

5 .3系统模型

5 .4中断概率的闭合表达式

5 .5仿真结果与分析

5 .6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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