基于认知无线电的动态频谱接入技术研究

摘要

动态频谱接入技术是提高频谱利用效率、解决当前频谱资源紧缺的有效途径之一,而认知无线电的出现为动态频谱接入的实现提供了有力的技术支撑。基于认知无线电的动态频谱接入技术的基本思想为:非授权用户(认知用户)通过环境感知,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(即暂未被授权用户使用的频谱资源),从而实现授权网络与认知无线电网络共享频谱资源,达到提高频谱利用率、缓解频谱资源紧缺的目的。
　　本文对基于认知无线电的动态频谱接入问题的建模、仿真、性能评估以及优化方法等方面进行了研究。根据动态频谱接入过程,将研究问题分成动态频谱接入前的频谱获取、接入中的策略调整,以及接入后的自适应资源分配三部分。提出了以接入策略为核心,以频谱获取和资源分配为切入点的广义动态频谱接入技术路线。在该技术路线下,首先对单授权网络背景中的动态频谱接入优化问题进行了研究。在此基础上,为进一步拓展动态频谱接入的适用范围,并充分利用网络分集效应,将研究内容扩展到认知无线电网络与多个授权网络交互背景中,讨论了多授权网络背景下动态频谱接入的策略设计和资源分配等问题。本文的主要研究内容包括:
　　1)基于认知无线电的动态频谱接入问题的数学建模、理论分析、策略优化及仿真方案设计。根据认知无线电的特点及动态频谱接入的过程,分析了三种典型的动态频谱接入策略:授权用户随机接入策略、授权用户冲突避免策略以及认知用户接入受限策略。结合三种策略的特点,提出了一种参数可调的混合动态频谱接入(Hybrid Dynamic Spectrum Access,HDSA)策略。HDSA策略可以灵活地调整动态频谱接入策略,适应更多的业务类型,实现效用函数最大化。为了对动态频谱接入策略的性能进行理论分析,利用连续时间Markov链对四种策略进行了数学建模,并根据相关的Markov理论,对认知用户的阻塞率、掉话率以及可达吞吐量等性能指标进行了求解,分析了动态频谱接入中各个性能指标之间的关系。
　　为了验证推导的理论结果,并为后续章节的仿真实验提供有效的解决方案,着重讨论了事件调度法、活动扫描法在动态频谱接入仿真中的应用。结合动态频谱接入过程中,不同事件对系统性能影响的区别,提出了一种改进的动态频谱接入仿真方案,有效地减小了仿真计算量和仿真事件。
　　2)以频谱感知为切入点的动态频谱接入策略优化。将频谱感知过程中两种典型感知错误,虚警和错检,引入到四种动态频谱接入的数学模型中。分析了两种感知错误对动态频谱接入性能的影响。针对感知算法存在“信噪比墙”导致感知错误无法避免的问题,提出通过在ROC曲线上选取合适的决策点,可以在不改变感知算法的前提下,进一步优化动态频谱接入性能。证明了认知用户可达吞吐量是关于ROC决策点的条件凹函数。为了得到ROC曲线上的最优决策点,提出了一种基于梯度信息的最优决策点搜索方法。通过仿真实验,验证了提出的ROC决策点优化方法能够有效缓解由于感知性能下降对动态频谱接入性能的影响。除此之外,仿真结果表明,通过联合优化HDSA策略与最优决策点,可进一步提高动态频谱接入策略的性能。
　　3)多授权网络的动态频谱接入策略设计。根据网络特点,将多授权网络可进一步分为无网络切换和具有网络切换两种情况。在无网络切换的多授权网络背景中,讨论了随机、贪婪以及加权网络选择策略的特点和不足。为得到多授权网络中的最优网络选择策略,提出了一种基于梯度比较的策略搜索算法。针对具有网络切换的多授权网络,论证了不同网络选择策略在认知用户阻塞率、掉话率以及可达吞吐量等方面的等价性,即不同选择策略得到的认知无线电网络性能指标相同,而主要差别在于对用户之间的冲突概率。为了能够对冲突概率进行有效控制,提出了一种冲突受限的动态频谱接入策略,使其能够满足不同网络条件下,授权网络对冲突概率的约束。通过仿真实验,验证了提出算法的有效性,并分析了多授权网络环境下带来的网络分集增益。
　　4)多授权网络中的自适应资源分配算法设计。以最大化认知用户和容量为目标,以比例公平性、功率限制、采样能力、误码率等为约束条件,将多授权网络中的自适应资源分配建模为一个混合非线性整数规划问题。由于建模的优化问题为典型的NP-hard问题,提出了一种基于微粒群优化方法的自适应资源分配次最优算法-PARA算法,保证了问题在多项式时间内的可解性。为进一步降低算法复杂度,并消除认知用户的采样能力的约束,将LTE-Advanced系统中的载波聚合技术引入到多授权网络的自适应资源分配问题中,结合PARA算法中问题简化方法,提出了一种基于载波聚合的贪婪成分载波分配算法-GA-CCA。在此基础上,利用交叉熵算法在整数规划问题中的优势,对GA-CCA算法进行了改进,提出了一种增强的GA-CCA算法-CEGA-CCA算法。通过仿真实验,验证了提出的三种自适应资源分配的有效性,并讨论了相应的特点以及适用场景。

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Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题的研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 基于认知无线电的动态频谱接入相关研究及分析

1.5 本文的主要研究内容

第2章 认知无线电动态频谱接入建模与分析

2.1 引言

2.2 基于认知无线电的动态频谱接入问题描述及建模

2.3 稳态概率与性能指标评估

2.4 基于离散事件的动态频谱接入系统仿真

2.5结果与讨论

2.6 本章小节

第3章 动态频谱接入的最优决策点选择

3.1引言

3.2 考虑频谱感知错误的动态频谱接入策略模型

3.3 性能指标求解

3.4 最优决策点梯度算法

3.5 结果与讨论

3.6本章小结

第4章 多授权网络中的动态频谱接入策略

4.1 引言

4.2 多授权网络动态频谱接入问题描述与建模

4.3 无网络间切换的多授权网络动态频谱接入

4.4 具有网络间切换的多授权系统动态频谱接入策略求解

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

第5章 多授权网络中的自适应资源分配

5.1 引言

5.2 多授权系统中的自适应资源问题描述与建模

5.3 基于微粒群算法的多授权网络中自适应资源分配算法

5.4 基于载波聚合的多授权网络中自适应资源分配算法

5.5 结果和讨论

5.6本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果

声明

致谢

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