认知无线电网络中面向业务连续性的频谱共享问题研究

摘要

可预见的无线通信需求激增与当前的频谱资源匮乏矛盾越来越突出，这不仅说明了动态频谱共享实现的必要性，同时也决定了实现共享的紧迫性。因而频谱共享具有极高的现实研究意义，近来也成为了认知无线电网络的研究难点及热点之一。
　　 在对已有频谱共享工作调研后，我们发现研究者或针对不同的感知信息共享方式进行比较，或利用博弈论来平衡次用户之间的协作共享等等，极少有文献涉及业务连续性问题，纵有所涉猎也仅考虑单个通信对或次用户配备单天线的情况。考虑已有频谱共享算法的不足，我们提出了两个全新的面向业务连续性的问题：联合频谱分配和多流路由问题、并发业务带宽满足的网络切换问题。通过对问题抽象建模，算法设计及验证，实验结果显示两个解决方案在业务连续性上都取得了理想效果。
　　 在认知无线电AdHoc网络中，本文考虑次用户以覆盖接入方式与主用户共享频谱，某主用户的醒来势必会造成占用其授权频段的次用户通信中断，而该主用户在单位时间内的平均活跃时间越长，相应地，占用该频段通信的次用户潜在威胁越大，因而在动态频谱接入时，需考虑主用户是否过于活跃。频谱分配的过程往往和路由是分不开的，这主要是由于任何两个次用户之间的公共可用信道是完全不同或部分相同的，选择不同的路由也就选择了不同的信道。本文提出了分布式稳定性保障算法，算法通过为多会话的每条路径构造一个Laplacian矩阵来衡量它的稳定性，经过初始化阶段的随机路由和迭代优化阶段的不断优化，使得多流会话中的最差路径稳定性最优，通过实验仿真得知该算法能够达到预期，较同类的路由算法可使最差路径稳定性平均提高48.5％。
　　 在集中式认知无线电网络场景下，同样考虑多个认知终端同时发出接入网切换请求的状况，如何更好地将这些用户散落在当前可用接入网中，以使他们之间因竞争频谱资源而导致的频繁网络切换不发生或少发生，保证他们的业务连续性，这是本文解决的第二个问题。本文提出了终端群接入网切换网络侧控制算法来解决这个问题，网络中每个认知终端结合自己的频谱感知结果、业务量需求、自身信噪比阈值和多个可接入次基站的接入概率，通过公共控制信道(CommonControlChannel)广播其对带宽请求消息，当次基站接收到这些请求消息后，将消息送至核心网侧的网络切换管理器，核心网络使用混沌优化算法快速求解一个次基站之间负载均衡的认知终端群网络分配方案。实验结果验证了该算法的有效性。

目录

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摘要

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第1章 绪论

1.1 背景与研究意义

1.2 认知无线电网络概述

1.2.1 概述

1.2.2 认知无线电网络体系结构

1.2.3 研究现状与热点

1.3 研究内容及创新点

1.4 应用场景介绍

1.5 论文组织结构

第2章 认知无线电网络频谱共享技术研究现状

2.1 引言

2.2 频谱共享技术

2.2.1 频谱共享的概念

2.2.2 频谱共享的四个阶段

2.2.3 频谱共享的分类

2.3 业务连续性

2.3.1 业务连续性的概念

2.3.2 研究的必要性

第3章 联合频谱分配和多流路由的传输稳定性问题研究

3.1 引言

3.2 系统模型

3.2.1 认知无线电网络模型

3.2.2 次用户间的期望可达带宽

3.2.3 路径稳定性

3.2.4 问题定义

3.3 算法设计

3.3.1 算法思想

3.3.2 算法详述

3.3.3 消息复杂度分析

3.4 实验仿真

3.4.1 模拟环境

3.4.2 可用值随主用户活跃概率变化

3.5 相关工作

3.6 本章小结

第4章 并发业务带宽满足的网络切换问题研究

4.1 引言

4.2 相关工作

4.3 网络模型

4.4 算法描述

4.4.1 实时频谱感知

4.4.2 认知终端发送网络切换带宽请求消息

4.4.3 SBS发送请求网络分配消息给核心网

4.4.4 认知终端群接入网切换网络侧控制算法

4.5 性能分析

4.6 本章小节

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果