认知无线网络中的动态频谱接入策略与性能分析

摘要

随着现代无线通信技术的发展，越来越多的无线系统与应用不断出现，对频谱资源的需求也越来越大。然而，当前广泛采用的固定频谱分配方式导致频谱资源日益稀缺。另一方面，实际的测量结果表明已分配频谱的很大一部分仅仅被零星地使用，一些非授权频段的频谱占用拥挤，而大多数授权频段的频谱利用率则很低，从而造成了频谱资源的极大浪费。为了解决这一矛盾，基于认知无线电的动态频谱接入技术应运而生。在认知无线网络中，如何根据不同的应用场景和目标设计灵活高效的动态频谱接入策略以最大化系统性能，是一个热门研究课题。基于此，本文选取用户服务质量提升和能效优化两个角度，开展对高效动态频谱接入策略的深入研究。
　　 从提升用户服务质量的角度出发，提出了一种信道聚合场景下动态频谱接入的改进策略。该策略针对现有信道聚合中聚合的信道数在传输过程中保持不变而导致的高阻塞概率和掉线概率问题，通过引入信道适配技术以实现自适应信道聚合与分片，在提高频谱利用率的同时能够避免不必要的阻塞和掉线。另一方面，采用排队机制，允许被主用户先占的次用户进入队列等待而非直接掉线，直到可用信道再次出现或预定义的最大排队时间超时，使次用户从统计上可获得更多频谱使用机会，降低掉线概率，并可能获得其它性能增益。仿真结果表明，信道适配的引入能够有效降低次用户阻塞概率和掉线概率，并提高频谱利用率，在此基础上引入排队机制后，能够进一步降低次用户掉线概率，略微增加频谱利用率，同时基本不影响阻塞概率。
　　 从优化能效的角度出发，提出了一种能量高效的信道聚合策略。针对采用非理想并行信道感知或串行信道感知的同步帧结构认知无线网络，在保证对主用户提供充分保护的前提下，同时考虑次用户感知能耗和感知动态性对能效的影响，以最大化系统能效为目标，将信道聚合过程中信道感知阶段的感知时间和信道接入阶段的功率分配进行联合优化，同时兼顾次用户最大功率预算和最小速率需求，将能量高效信道聚合问题建模为分式和问题，并借助于非线性分式规划理论进行问题转化和求解，设计出高效的算法来找到最优感知时间和功率分配方案。能量高效信道聚合策略以严格定义的能效为优化目标，在保证次用户服务质量的同时，能够最大化系统能效。仿真结果表明，所提能量高效信道聚合策略能够得到唯一的最优感知时间和最优功率分配，适用于低功率低服务质量需求的用户。

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摘要

图表目录

缩略语

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 本文的组织结构以及主要贡献

第2章 动态频谱接入技术

2．1 动态频谱接入网络架构和概念模型

2．1．1 动态频谱接入网络架构

2．1．2 动态频谱接入概念模型

2．2 动态频谱接入关键技术

2．2．1 频谱感知

2．2．2 频谱管理

2．2．3 频谱移动性

2．2．4 频谱共享

2．3 本章小结

第3章 带排队的结合信道聚合与分片策略

3．1 引言

3．2 系统模型与策略描述

3．2．1 系统模型

3．2．2 策略描述

3．3 性能分析

3．3．1 CTMC模型

3．3．2 性能参数

3．4 仿真结果与分析

3．5 本章小结

第4章 能量高效的信道聚合策略

4．1 引言

4．2 系统模型与问题描述

4．2．1 系统模型

4．2．2 问题描述

4．3 最优感知时间和功率分配设计

4．3．1 最优感知时间设计

4．3．2 最优功率分配设计

4．3．3 优化算法描述

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

第5章 结束语

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果和参加的项目