认知无线电网络拓扑控制和频谱分配方法研究

摘要

在认知无线电网络的研究中，网络的健壮拓扑控制与有效的信道分配算法是提高频谱利用效率的关键。由于主用户对授权信道有绝对优先权，因此当主用户取回信道时，认知用户必须及时退出当前信道，有可能造成认知用户数据传输的中断，产生网络切割。另外，在相互干扰范围内的认知用户使用相同信道进行传输数据时也会彼此干扰。为了避免这些情况需要在认知无线电网络的信道分配过程中，考虑到主用户的活动性，保障网络的连通性并且确保网络在信道分配过程中所受的干扰最小。
　　本文针对两种网络拓扑进行了研究，提出了改进的集中式拓扑构造算法和K-支配度最大化CDS生存时间算法（KD-MLCDS）来构造健壮网络拓扑，本文主要工作如下：
　　（1）首先对于现有的信道分配方法进行了分类研究。总结整理了各个分类下的现有信道分配算法特点，并且讨论了现有信道分配算法中的必须被解决的问题。同时也提出了在CRN中获得有效信道分配算法的研究漏洞和改进的方向。
　　（2）其次研究了认知无线电网络环境下的集中式拓扑构造问题。针对主用户取回授权频谱可能导致的次级用户数据传输中断，产生的网络切割问题，提出了改进的集中式拓扑构造算法，结合功率控制和信道分配，构造了一个双信道连通无冲突拓扑。算法在保证网络拓扑健壮的前提下，同时优化了实现无冲突拓扑所需分配的信道数目，使用最小数目的信道实现双信道连通无冲突拓扑的构造。针对删除节点后局部冲突图不连通的情况，应用改进的MPH算法，通过给最短路径密集经过的节点分配路径权值，优先考虑通过路径权值大的节点接入已有拓扑，在实现连通之外也减少了路径花费。并且随着网络中节点数目的增多，算法在节省分配信道数目的方面与现有算法有较大的差异性，能够大大降低了网络花费，提高网络性能，使得网络在实际应用中有更好的健壮性保证。
　　（3）第三部分研究了认知无线电网络中的连通控制集（CDS）的健壮拓扑构造问题。引入CDS的构造问题到认知无线电网络中，考虑到在CDS构造中，对于CDS内部节点，如果仅仅考虑最大化链路生存时间而没有保留除最大链路外的其他链路，在支配链路被破坏的情况下，就会造成当前用户数据传输中断，影响网络性能。因此，本文提出了k-支配度生存时间最大CDS构造算法（KD-MLCDS）。在考虑主用户活动性的基础上，最大化链路生存时间，同时最大化CDS外部节点被支配度，从而确保次级用户网络的健壮性。本文中节点被支配度定义如下，如果网络中的一个节点被CDS内部的一个节点支配，该节点的被支配度加1。被支配度越大的节点说明更多的被支配集中的节点覆盖，因此在删除因主用户活动性被影响的链路时，更不容易破坏网络连通性。理论分析证明我们提出的k-支配生存时间最大CDS构造算法（KD-MLCDS）在时间复杂度上仅仅只有O(n log n)，远远低于现有CDS构造算法（C-MLCDS）的O(n4)。仿真验证了KD-MLCDS能有效减少构造时间，减少花费和提高网络健壮性。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 认知无线电概述

1.2 认知无线电的研究现状

1.3论文的结构安排

第二章 认知无线电网络系统模型和信道分配方法研究

2.1 引言

2.2 认知无线电网络模型

2.3 认知无线电网络动态频谱共享模型

2.4 CRN中的信道分配算法分类

2.5 CRN中的当前信道分配算法

2.6 CRN中信道分配算法存在问题和挑战

第三章 CRN中基于改进Steiner树的双信道连通拓扑控制算法

3.1 概述

3.2 网络模型和问题描述

3.3 集中式拓扑控制算法

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

第四章 认知无线电中k-支配生存时间最大CDS构造算法

4.1 引言

4.2 网络模型和问题描述

4.3 k-支配生存时间最大CDS构造算法

4.4仿真分析

4.5 本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢

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