认知无线电网络中的动态信道分配技术研究

摘要

随着无线通信技术的发展和人们对无线频谱资源需求的日益增长，认知无线网络以其不需要授权就可以使用频谱、频谱利用率高、使用方式灵活等独有特性越来越受到关注，成为无线移动通信网络的一个重要发展方向。频谱分配方式决定了无线设备的频谱使用情况，对认知无线网络的性能起着决定作用。针对认知无线网络频谱资源的时间、空间变化特性、防止对授权用户产生干扰以及提高无线频谱的利用率，需要为其设计专门的频谱分配方式。采用中心式结构动态信道分配算法可以大大提高频谱的利用率，降低系统开销，能够迅速的自适应的动态调整从而满足在不断变化的无线频谱资源下的通信需求。同时，在中心式结构动态信道分配算法的基础上联合功率控制，不仅可以减小对授权用户、认知用户的干扰，而且能够进一步提高频谱的利用率和网络的性能。 本文在国家十五“863”高技术研究发展计划项目《基于认知无线电的混合波形调制解调技术研究》课题的资助下，结合中心式结构动态信道分配的优点，对认知无线网络中的动态信道分配技术进行了研究，提出了基于子信道划分的自适应动态信道分配算法以及联合功率控制的自适应动态信道分配算法，有效的提高了频谱的利用率和网络的性能。同时，利用跨层设计的思想，给出了基于PXA255的协议设计实现。 第一章介绍了认知无线电的背景、发展历程和优点，阐述了认知无线电的应用环境，在分析认知无线电研究现状的同时，对国内外对动态信道分配算法的研究现状作了详细的介绍和分析。 第二章分别对认知无线电系统模型和动态信道分配模型作了详细的分析。给出了认知无线电的频谱共享模型，介绍了频谱分配技术的分类、原则、关键技术，并根据分类的不同，描述了认知无线网络下的中心式结构动态信道分配模型和分布式结构动态信道分配模型，从问题模型、效用函数、算法设计等方面进行了详细的阐述。同时介绍了当前存在的其他频谱分配模型。 第三章则重点讨论了认知无线网络环境下的中心式结构动态信道分配算法。分析了频谱分配的数学模型，并在比较讨论了现有的动态信道分配算法的基础上，提出了改进的基于子信道划分的自适应动态信道分配算法和改进的联合功率控制的自适应动态信道频谱算法，分析了算法的性能，给出了仿真结果，并从系统开销时间、系统总效用以及公平性对几种算法进行了分析，比较。 第四章描述了认知无线网络中其他几层的联合设计实现。给出了物理层的帧结构设计、MAC层的帧结构设计以及协议设计，利用跨层设计的思想，阐述了传输层、MAC层和物理层之间的联合设计，同时给出了基于PXA255平台的系统设计原理、协议设计流程和实际测试的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章背景

1.1背景介绍

1.2认知无线电的概念和特点

1.2.1认知无线电(Cognitive Radio，CR)发展概况

1.2.2认知无线电的特点

1.2.3认知无线电的应用

1.3国内外研究现状

1.3.1国内外对认知无线电的研究现状

1.3.2国内外对动态信道分配的研究现状

1.4研究背景和选题意义

1.5本文的主要贡献和内容安排

1.5.1本文的主要贡献

1.5.2本文的内容安排

第二章认知无线电动态信道分配模型

2.1认知无线电系统模型

2.1.1认知无线电的研究模型

2.1.2认知无线电的频谱共享模型

2.2认知无线网络中的动态信道分配策略

2.2.1频谱分配技术的分类

2.2.2频谱分配技术的原则

2.2.3频谱分配的关键技术

2.2.4认知无线电的频谱分配模型

2.3中心式结构动态信道分配模型

2.3.1问题模型和效用函数

2.3.2图着色模型

2.3.3移动性管理

2.4分布式结构动态信道分配模型

2.4.1问题背景与假设

2.4.2问题模型与效用函数

2.4.3算法设计

2.5频谱分配的其他模型

2.5.1拍卖竞价模型

2.5.2网间频谱共享模型

2.6小结

第三章基于中心式结构的改进动态信道分配算法

3.1中心式动态信道分配技术的引入

3.2中心式结构动态信道分配技术的数学模型

3.2.1系统场景描述

3.2.2系统模型的数学描述

3.3现有的信道分配算法

3.3.1 List-Coloring based Greedy Algorithm算法

3.3.2 List-Coloring based Fair Algorithm算法

3.3.3协调式最大化系统总带宽(CMSB)算法

3.3.4协调式最大化比例公平(CMPF)算法

3.3.5算法小结

3.4改进的基于子信道划分的自适应动态信道分配算法

3.4.1算法提出的背景

3.4.2 SS-ADCA算法的基本原理

3.4.3算法仿真结果

3.5改进的联合功率控制的自适应动态信道分配算法

3.5.1算法提出的背景

3.5.2 SS-ADCA-PC算法的基本原理

3.5.3算法仿真结果

3.6小结

第四章认知无线网络中的跨层设计

4.1认知无线网络中跨层设计的引入

4.2物理层的联合设计

4.2.1物理层的帧结构设计

4.2.2频谱感知

4.2.3联合设计

4.3 MAC层的联合设计

4.3.1 MAC层协议设计

4.3.2 MAC层的帧结构和数据包结构设计

4.4基于PXA255平台的协议设计实现

4.4.1协议设计

4.4.2测试方法及结果

4.5小结

第五章总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位论文期间的研究成果以及论文情况