认知无线电网络可传输容量的研究

摘要

近年来，随着无线宽带应用的广泛普及，宽带用户急速增长，可用频谱资源不足的问题却日益加剧。认知无线电网络(CRN)通过频谱共享，可以大大提高频谱利用率、缓解频谱资源的不足，因此得到广泛研究。认知(CR)是CRN中的关键技术。它能够感知周围环境中频谱，根据环境变化动态调整系统参数，如载波频率、带宽及发送功率。近几年来数字信号处理、射频技术的发展使得CR感知及重构特性的实现成为可能。随着不同移动设备数量的迅速增长及CR的迅猛发展，环境中布满有认知能力的通信设备是有可能的。在这样的环境中，如何提高认知无线电网络的性能、保证服务质量是CRN研究的关键问题。
　　本文在熟悉认知无线电基本原理及相关技术的基础上，就认知无线电网络的可传输容量这一基本性能进行了理论研究。
　　首先，在下垫式频谱共享模型下，分析基于三种常用媒体接入控制(MAC): slotted-ALOHA、CSMA/CA及TDMA协议下CRN的可传输容量。利用随机几何知识，推导出授权网络（主网络）和未授权网络(CRN)的数据包成功传输概率，根据香农定理，推导出在主网络和CRN中断概率限制条件下基于不同MAC协议的CRN可传输容量。然后，利用MATLAB仿真对CRN可传输容量进行数值分析，从图形上直观地描述不同MAC协议下CRN的容量范围及各参数对其可传输容量的影响，并证明了在饱和的认知mesh网络中，TDMA协议下可以获得最高传输容量，CSMA/CA次之。
　　受中继协作转发思想的启发，本文还提出了一种中继协作网络模型，即当主网络中源点离它的目的节点较远时，可以利用CRN中空闲节点(SU)为主网络中节点(PU)转发数据。中继节点分别采用解码转发(DF)和放大转发(AF)两种转发协议。根据PU和SU成功传送数据的概率，推导出中断概率限制条件下非协作和协作CRN节点的最大可传输容量，并给出中继节点的位置范围。最后利用MATLAB仿真，从图形上直观地给出了某些特定参数下中继节点的范围，中继节点位置、主/次级网络功率比及次级网络接收门限的相互影响情况，并证明了在某些特定参数下协作转发可以大大提高CRN的传输容量。

目录

致谢

摘要

序

图目录

1 引言

1．1 认知无线电研究背景和意义

1．2 认知无线电国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文主要研究工作

2 认知无线电概述

2．1 认知无线电概念

2．1．1 认知无线电定义

2．1．2 认知无线电特点

2．2 认知无线电中主要技术

2．2．1 频谱感知

2．2．2 频谱决策

2．2．3 频谱共享

2．2．4 频谱移动性

2．3 认知无线电技术的应用

2．3．1 CR在租赁网络中的应用

2．3．2 CR在mesh网中的应用

2．3．3 CR在公共安全中的应用

2．3．4 CR在军用网络中的应用

2．4 本章小结

3 认知无线电网络可传输容量的分析

3．1 认知无线电网络可传输容量相关研究

3．2 系统模型

3．2．1 网络模型

3．2．2 系统干扰模型

3．3 认知mesh网络可传输容量分析

3．3．1 Slotted-ALOHA协议下可传输容量分析

3．3．1 CSMA／CA协议下可传输容量分析

3．3．3 TDMA协议下可传输容量分析

3．4 数值仿真分析

3．4．1 网络环境及参数设置

3．4．2 Slotted-ALOHA协议下次级网络可传输容量数值仿真分析

3．4．3 CSMA／CA协议下次级网络可传输容量数值仿真分析

3．4．4 TDMA协议下次级网络可传输容量数值仿真分析

3．4．5 特定中断概率条件下次级网络可传输容量数值仿真分析

3．5 本章小结

4 协作认知无线电网络可传输容量分析

4．1 协作认知无线电网络相关研究

4．2 系统模型

4．2．1 网络模型

4．2．1 系统干扰模型

4．3 认知无线电网络在协作和非协作条件下可传输容量分析

4．3．1 非协作条件下认知无线电网络可传输容量分析

4．3．2 DF转发机制下认知无线电网络可传输容量

4．3．3 AF转发机制下认知无线电网络可传输容量

4．4 数值仿真分析

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 论文工作总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简历

声明