基于频谱感知的跨层机会认知路由决策研究

摘要

本文基于目前无线网络频谱资源紧缺和利用率低下的现状，针对认知无线自组网络的复杂电磁环境及相关技术挑战，考虑认知无线网络可用频谱的高动态特性，以跨层协同思想为指导，将信道选择策略与路由选择技术相结合，将物理层的频谱感知技术、MAC层的调度机制与网络层的路由技术相联合进行跨层设计及优化，提出了基于双次协同频谱感知的机会认知路由策略以提高认知无线网络频谱的使用效率和可靠高效的传输能力。理论分析和仿真结果表明本文所提出的方案能够有效提高认知无线自组织网络端到端的服务质量和频谱利用率。本研究主要内容包括：
　　⑴针对无线电磁环境非常恶劣的认知Ad hoc网络，提出双次协同频谱感知模型（Dual Collaborative Spectrum Sensing，DCSS）和适应此新模型动态变化特性的动态可变时分多址接入（Dynamic and Variable Time-Division Multiple-Access，DV-TDMA）调度机制以进行跨层协作；推导出了平均感知时间的闭合表达式，给出了微时隙长度的临界范围，提出了平均感知时间的优化算法，并通过理论分析和仿真验证。仿真结果表明，相比于单次协同感知方法，在保证平均感知错误率小于1％的条件下，所提协同感知方法及其优化算法可有效缩短频谱感知时间约11.5%。
　　⑵针对认知无线网络跨层协同的开放性问题，研究了机会频谱接入的跨层优化算法。结合应用层的QoS需求，给出了物理层双次协同频谱感知方法和媒体访问控制子层的DV-TDMA感知调度机制跨层协作的多目标优化算法，以提高受限于阴影衰落和或隐藏终端的认知无线网络频谱感知的准确度、时效性和通信吞吐量，并给出能量检测阈值和可实现吞吐量的优化算法。仿真结果表明，所提算法在保证网络平均检测错误率小于1%的条件下，通过联合优化选择分散在物理层和媒体访问控制子层的特性参数，如能量检测阈值、参与协同认知用户数和时隙长度等，相比于没优化的双次协同感知方案和单次协同感知方案，可获得较优的网络吞吐量。
　　⑶针对多信道多跳认知无线Ad hoc自组织网络中路由的不稳定性问题，对认知路由技术和协同频谱感知技术的跨层设计进行了研究。考虑到认知无线Ad hoc网络中频谱的高动态性以及阴影衰落和隐藏终端等射频环境问题，将物理层的频谱感知技术和媒体访问控制子层的调度机制紧密融合到网络层的路由决策中，提出了基于双次协同频谱感知的认知机会路由协议（Dual Collaborative Spectrum Sensing Opportunistic Cognitive Routing，DCSS-OCR），对路由发现和路由选择策略进行了设计，旨在提高认知无线Ad hoc网络路由发现和建立的机会。首先，构建了基于DCSS频谱感知理论的路由发现模型，联合考虑了频谱感知准确性、链路可用性和最短路径因素建立认知无线Ad hoc网络空间上可达、频域上连通的有效路由；其次，提出下一跳前传节点，最优信道和路径的选择方法，以满足认知无线网络路由稳定性目标；最后，给出评估路由路径质量的有关度量数学闭合表达式，如链路可用性概率、路径接入概率，期望链路平均传输延迟和端到端平均传输延迟，并给出相关推导证明。
　　⑷依据DCSS-OCR路由决策的有关度量，对多信道多跳认知无线Ad hoc网络路由性能从准确性和最优性角度进行仿真分析和评估，并提出路由度量的优化方案。首先，利用数值分析方法和Monte Carlo仿真验证了链路接入机会，链路平均传输延迟和路径平均传输延迟表达式的正确性；其次，仿真分析了主用户活动对路由接入机会、中断概率和平均传输延迟的影响，仿真结果表明，本文所提 DCSS-OCR决策算法，与利用单次协同频谱感知理论和非协同频谱感知理论的机会路由算法相比较，可以更加准确地发现路由接入机会和路由中断概率，较大程度地减少路由平均传输延迟，这有利于及时做好路由维护/恢复工作，减少因主用户突然出现而路由中断的机率。最后，仿真结果还表明，空闲可用信道数、候选邻节点数和路由跳数也是影响路由成功建立与稳定性的重要因素。

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相关术语及缩略语

第1章 绪 论

1.1引 言

1.2研究背景及意义

1.3论文的主要工作及创新点

1.4论文的结构及内容安排

第2章 双次协同频谱感知时间敏捷性研究

2.1 引言

2.2 双次协同频谱感知原理

2.3平均感知时间的优化

2.4仿真性能评估

2.5 本章小结

第3章 机会频谱接入的跨层优化

3.1引 言

3.2 MAC层帧结构的优化

3.3性能仿真分析

3.4本章小结

第4章 基于频谱感知的机会认知路由协议

4.1引 言

4.2系统模型

4.3 DCSS-OCR机会认知路由协议

4.4机会认知路由度量

4.5本章小结

第5章 DCSS-OCR机会认知路由协议性能分析及优化

5.1 引 言

5.2路由度量的优化

5.3路由性能评估

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1论文总结

6.2研究展望

参考文献

攻读博士期间取得的科研成果

致谢