本文關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜接入策略及性能分析

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【摘要】：認(rèn)知無線電技術(shù)通過讓從用戶在不干擾已有授權(quán)用戶的前提下,伺機(jī)使用時(shí)間或空間上空閑的頻譜,來大幅提高頻譜利用率,從而緩解頻譜資源匱乏的問題。而動態(tài)頻譜接入技術(shù)是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一,它是提高從用戶性能,保證主用戶服務(wù)質(zhì)量的有效手段�？紤]到認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)場景,由于受多重跨層因素、用戶的移動特性以及用戶的類型等因素的影響,使得網(wǎng)絡(luò)的建模以及性能分析面臨很大的挑戰(zhàn),并且在這些實(shí)際網(wǎng)絡(luò)場景中,如何尋求更合理高效的頻譜接入策略,這成為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入研究所面臨的重要問題。本學(xué)位論文正是基于以上問題,考慮了多種認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用場景,首先對這些場景進(jìn)行建模和性能分析,然后對各種場景下的頻譜接入策略進(jìn)行了深入研究。主要包括：多信道跨層因素下的從用戶性能分析及頻譜接入策略研究；移動場景下從用戶的空-時(shí)頻譜接入機(jī)會分析及接入策略設(shè)計(jì);認(rèn)知傳感網(wǎng)中的自適應(yīng)頻譜接入方法研究；分級從用戶的被動頻譜切換延時(shí)分析和主動頻譜切換下的信道選擇方法研究。論文首先針對多重跨層因素影響下的多信道認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò),提出了從用戶數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)最小的頻譜接入策略。在交織頻譜接入模式下,綜合考慮了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、MAC層等多重跨層因素對從用戶數(shù)據(jù)包傳輸成功率、延時(shí)等性能的影響,并把這些因素整合進(jìn)M/M/1/K排隊(duì)模型,推導(dǎo)了從用戶的數(shù)據(jù)包平均延時(shí)以及丟包率。最后通過改進(jìn)的遺傳算法對以延時(shí)最小化為目標(biāo)的非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解,得到了多信道下從用戶的最優(yōu)頻譜接入向量。數(shù)值仿真結(jié)果證明了所提接入策略在延時(shí)上優(yōu)于等概率、反比例以及隨機(jī)接入策略：并表明了在這些跨層因素中,ARQ最大重傳次數(shù)和從用戶緩存容量對延時(shí)或數(shù)據(jù)包丟失率的影響是相矛盾的,設(shè)計(jì)時(shí)需要做出平衡。其次,針對從用戶移動場景下的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò),提出了從用戶頻譜接入機(jī)會最大化下的多信道頻譜接入策略。由于用戶的移動性,頻譜空洞不僅表現(xiàn)在時(shí)間維度上,也表現(xiàn)在空間維度上。利用泊松點(diǎn)過程分別對從用戶在主用戶保護(hù)區(qū)域內(nèi)外兩種頻譜利用情況進(jìn)行建模,推導(dǎo)出了一定區(qū)域內(nèi)從用戶空-時(shí)二維頻譜接入機(jī)會解析表達(dá)式。通過最大化空-時(shí)頻譜接入機(jī)會求得了主用戶最優(yōu)保護(hù)距離的解析式。在最優(yōu)保護(hù)距離下推導(dǎo)了Nakagami信道下的從用戶吞吐量,并通過最大化吞吐量找到了從用戶的最優(yōu)頻譜接入策略。仿真結(jié)果表明在所提頻譜接入策略下,從用戶密度小時(shí)的平均吞吐量明顯高于其它頻譜接入策略,但當(dāng)從用戶密度遠(yuǎn)高于信道數(shù)時(shí),吞吐量的提升并不明顯。第三,針對認(rèn)知無線傳感器網(wǎng),提出了基于從用戶節(jié)點(diǎn)密度的自適應(yīng)頻譜接入策略。根據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限和隨機(jī)休眠機(jī)制的特點(diǎn),在實(shí)時(shí)突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸需求下,為一個(gè)事件發(fā)生區(qū)域內(nèi)的能量受限節(jié)點(diǎn)的收發(fā)過程進(jìn)行建模,分別在不同的節(jié)點(diǎn)密度下分析了一個(gè)信道轉(zhuǎn)換間隔內(nèi)襯底和交織兩種頻譜接入機(jī)制下的能效和數(shù)據(jù)包傳輸失敗率。利用兩個(gè)對數(shù)函數(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)包含能效和包傳輸失敗率的綜合效用指標(biāo)。并通過最大化認(rèn)知傳感網(wǎng)的效用指標(biāo),提出了一種節(jié)點(diǎn)密度自適應(yīng)的頻譜接入策略,該策略要求節(jié)點(diǎn)密度小時(shí)采用交織頻譜接入模式,密度大時(shí)采用襯底頻譜接入模式。數(shù)值仿真結(jié)果證實(shí)了實(shí)現(xiàn)兩種頻譜接入機(jī)制轉(zhuǎn)換的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密度門限存在,并證明所提自適應(yīng)策略能極大提高認(rèn)知無線傳感網(wǎng)的能效或降低包傳輸失敗率。第四,針對分級下的從用戶的被動頻譜切換過程進(jìn)行了建模與分析,求得了多重頻譜切換延時(shí)解析表達(dá)式。根據(jù)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中從用戶通信業(yè)務(wù)對延時(shí)需求的不同,把從用戶劃分為兩類,分別叫做SU1和SU2。利用馬爾科夫過程對這兩種不同級別的從用戶的多重被動頻譜切換過程進(jìn)行建模,并在兩信道例子中使用了帶有優(yōu)先權(quán)的M/M/2排隊(duì)理論進(jìn)行分析,得到了分級從用戶下的多重累積切換延時(shí)解析表達(dá)式。數(shù)值結(jié)果給出了兩類從用戶的允許接入?yún)^(qū)域。第五,針對主動頻譜切換模式下的分級從用戶,提出了一種自適應(yīng)的目標(biāo)信道選擇策略。在交織頻譜接入模式下,基于預(yù)判決頻譜切換機(jī)制,用帶有優(yōu)先權(quán)的M/G/1排隊(duì)對分級下的從用戶多重頻譜切換過程進(jìn)行建模。分別求得了兩種不同的信道選擇策略(“總是保持”和“總是轉(zhuǎn)換”)下的平均累積切換延時(shí)的解析表達(dá)式,進(jìn)而以延時(shí)最小為目標(biāo)提出了分級下的從用戶的最優(yōu)目標(biāo)信道選擇策略。結(jié)果表明,在主用戶信道使用概率較小的時(shí)候采用“總是保持”和在主用戶信道使用概率較大時(shí)采用“總是轉(zhuǎn)換”的頻譜接入策略將能明顯減少兩類從用戶的累積切換延時(shí)。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN925

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