【摘要】 伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,通信技術(shù)時(shí)代也由3G時(shí)代逐步邁向4G時(shí)代,無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也逐步取得了巨大的成就。而信道資源始終是有限的,隨著可用信道資源的減少,人們深刻感受到信道資源的可貴。與此同時(shí),無線網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性、穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和可控性等問題都已經(jīng)成為了三大運(yùn)營(yíng)商、政府網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管部門和眾多網(wǎng)絡(luò)用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要注重離散動(dòng)態(tài)信道分配與接入中的信道選擇策略,結(jié)合認(rèn)知跳頻通信技術(shù),以求設(shè)計(jì)出更為有效的離散動(dòng)態(tài)信道選擇策略,從而達(dá)到提高無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的頻譜利用率和信道占用率的目的。課題最終目標(biāo)是希望解決無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)信道面臨的干擾、沖突與衰落問題,以及降低由于認(rèn)知用戶對(duì)環(huán)境感知帶來的通信時(shí)延開銷,同時(shí)解決授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶的共存與離散動(dòng)態(tài)信道資源共享問題。本文結(jié)合無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)離散動(dòng)態(tài)信道分配與接入技術(shù)和跳頻通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì),分析將兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合時(shí)的條件,在兩者結(jié)合可行的前提下,提出了基于認(rèn)知跳頻的WCN(無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò))離散動(dòng)態(tài)信道分配與接入技術(shù)。本文以信道資源最優(yōu)化分配及認(rèn)知鏈路的通信可靠性為目標(biāo),結(jié)合跳頻思想,建立認(rèn)知跳頻接入機(jī)制,提出一種具有高可靠性能的離散動(dòng)態(tài)信道分配策略,在提高信道資源利用的同時(shí)可增強(qiáng)系統(tǒng)的傳輸性能。論文研究成果有可能為未來高速率高帶寬無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。因此,基于認(rèn)知跳頻的無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)離散動(dòng)態(tài)信道分配與接入技術(shù)有良好的應(yīng)用前景。 

第一章緒論

1.1課題的研究背景及意義
在以應(yīng)急環(huán)境（火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、空難急救現(xiàn)場(chǎng)、反恐人質(zhì)解救、自然災(zāi)害國(guó)際救助等）的數(shù)據(jù)通信為應(yīng)用背景的特殊行業(yè)通信系統(tǒng)中，基于認(rèn)知跳頻的無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可有效提高節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)急環(huán)境中信道資源的利用效率，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。另外，在軍事領(lǐng)域，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可有效解決復(fù)雜多變電磁環(huán)境下通信系統(tǒng)的自干擾問題和非本土作戰(zhàn)時(shí)的無線環(huán)境自適應(yīng)問題，大幅度提高軍事信息系統(tǒng)和自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量及可靠性，滿足未來一體化作戰(zhàn)條件下大規(guī)模的無線電應(yīng)用⑴。在民用通信中，，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)站在頻譜理性占用的角度上，從技術(shù)上改善網(wǎng)絡(luò)的頻率使用效率問題、復(fù)雜多變電磁環(huán)境下通信系統(tǒng)的信道管理問題和網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸問題，充分發(fā)揮通信終端的使用效能，提高網(wǎng)絡(luò)容量和對(duì)服務(wù)質(zhì)量的支持，從而推動(dòng)其應(yīng)用的拓展。綜上所述，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)應(yīng)用、特殊公共服務(wù)行業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景。目前提出的信道分配、選擇和接入等相關(guān)算法都是在傳統(tǒng)的連續(xù)信道分配策略上進(jìn)行的改進(jìn)與創(chuàng)新，而忽略了在WCN (無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)）中認(rèn)知用戶所獲得的信道資源的動(dòng)態(tài)性，因此所提出的各種算法缺乏通用性。此外，目前的研宄均是以提高信道利用率、主網(wǎng)絡(luò)的QoS為目標(biāo)，鮮有文獻(xiàn)研宄認(rèn)知用戶鏈路的通信可靠性。軍用通信中敵方的故意干擾和阻塞，以及現(xiàn)代通信系統(tǒng)中廣泛存在的窄帶干擾。在WCN中，均可視為PUE攻擊(模仿主用戶攻擊，PrimaryUser Emulation)?這些干擾會(huì)使得信道嚴(yán)重衰落。認(rèn)知用戶在檢測(cè)到授權(quán)用戶空閑信道時(shí)就直接接入而沒有考慮信道質(zhì)量狀況，從而會(huì)使得認(rèn)知用戶通信在嚴(yán)重衰落的信道上而導(dǎo)致通信的失敗。
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1.2無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前關(guān)于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議研究較多，幾乎所有的研宄都認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議應(yīng)采用動(dòng)態(tài)信道接入機(jī)制（DSA , Dynamic Spectrum Access)。目前基于CR的DSA的研宄主要基于頻譜共享池（spectrum pooling)這一策略。為規(guī)定用戶之間選擇信道的協(xié)商機(jī)制，Mitola在文獻(xiàn)[I3]中提出了標(biāo)準(zhǔn)的無線禮儀協(xié)議的初始框架，主要包括主用戶與認(rèn)知用戶之間交互的租用信道協(xié)議、當(dāng)授權(quán)再次出現(xiàn)時(shí)服從的補(bǔ)償協(xié)議、信道使用優(yōu)先級(jí)協(xié)議等。由于認(rèn)知用戶本質(zhì)上是一個(gè)自治的智能代理，目前的研究大多集中于動(dòng)態(tài)分布式資源分配方面。對(duì)策論（又稱博弈論，Game Theory)是一種有效的分析實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶交互過程的工具。由于經(jīng)典對(duì)策模型不包含學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，采用一些嵌入學(xué)習(xí)功能的改進(jìn)型對(duì)策模型如貝葉斯對(duì)策等，是目前研究的熱點(diǎn)問題。Nie等人將對(duì)策論的應(yīng)用做了進(jìn)一步的擴(kuò)展，分別分析了合作用戶和非合作用戶情況下系統(tǒng)的性能，指出基于合作的DSA可提高全網(wǎng)的性能[I4]，但這種基于合作的方法強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的整體有效性，必要時(shí)需犧牲局部性能。之后很多研究對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，以接近最優(yōu)分配。如Peng和Zheng等人相繼提出的標(biāo)簽機(jī)制，可區(qū)分用戶的優(yōu)先級(jí)，得到50%的性能改善Cao等人提出的本地討價(jià)還價(jià)(Local Bargaining)算法，釆用公平的業(yè)務(wù)保證機(jī)制，可提供文獻(xiàn)[14]和[15]中相近的性能，但明顯降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性[I7]。雖然這些方法都取得了一些進(jìn)步，但這些基于合作的方法為了共享相鄰用戶頻繁交換的協(xié)作信息，需要公共的協(xié)調(diào)協(xié)議和通信鏈路，必然會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和額外開銷。這對(duì)于能量受限的通信系統(tǒng)，如AdHoc、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等并不適用。針對(duì)以上問題，Zheng等人提出了基于設(shè)備的頻譜管理（相對(duì)于基于政策的頻譜管理）方案。
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第二章無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知跳頻通信技術(shù)的融合

2.1無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概述
無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是在認(rèn)知無線電技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的無線網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。當(dāng)前，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從理論創(chuàng)新到實(shí)踐應(yīng)用都面臨著許多問題。然而，如今用戶追求的是高速、穩(wěn)定、感知較好的無線通信網(wǎng)絡(luò)，隨著無線通信需求的不斷增長(zhǎng)，支持無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求也就越來越高。目前較為常見信道分配采用的是固定分配的方法，該分配方法是將一定頻段上的信道劃分給授權(quán)用戶（PU),而這些己經(jīng)分配給授權(quán)用戶的信道空閑時(shí)，也不允許其他用戶使用，這就造成了空閑信道資源的浪費(fèi)。在未來無線移動(dòng)通信領(lǐng)域，研究人員也將更加注重信道利用率和不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如何更好的結(jié)合在一起工作。運(yùn)用認(rèn)知無線電技術(shù)的無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，不僅包括運(yùn)用認(rèn)知無線電技術(shù)，而且在網(wǎng)絡(luò)層上面上的應(yīng)用也有了更高的要求；無論是從網(wǎng)絡(luò)元素，還是從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能方面來講都有了更高的要求。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒕哂姓J(rèn)知能力、重新配置能力的無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和可以同時(shí)保持多條通信鏈路的用戶設(shè)備整合到同一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)框架，從而能夠?qū)⒉煌臒o線網(wǎng)絡(luò)融合在一起，實(shí)現(xiàn)最大力度提高無線網(wǎng)絡(luò)資源利用率的目標(biāo)，給用戶帶來較好的網(wǎng)絡(luò)感知。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)o線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶使用的環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的有效利用和對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)未來無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)智能化的較好的網(wǎng)絡(luò)模式[21]。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)不僅為運(yùn)營(yíng)商提供了較好的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)也為用戶提供了動(dòng)態(tài)和多樣化的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)平臺(tái)。
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2.2認(rèn)知跳頻通信技術(shù)的基本原理
隨著4G時(shí)代的到來，無線通信系統(tǒng)的抗干能力對(duì)于通信的可靠性、穩(wěn)定性來說顯得非常重要，將跳頻通信運(yùn)用到無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中可極大減少通信系統(tǒng)受外界通信環(huán)境的影響。定頻通信是無線通信系統(tǒng)中較為常見的通信方式，而定頻通信的主要特點(diǎn)是其在固定的頻段上通信。而跳頻通信是一種比較好用的擴(kuò)頻通信方式擴(kuò)展通信方式包括跳時(shí)擴(kuò)頻、直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻。跳頻序列生成器、跳頻頻率合成器和跳頻同步系統(tǒng)是跳頻通信系統(tǒng)中最重要的組成部分。跳頻通信中收發(fā)雙方信號(hào)載波頻率根據(jù)事先的規(guī)定進(jìn)行離散變換，通信過程中偽隨機(jī)序列會(huì)將載波頻率控制在較寬的頻帶范圍，與此同時(shí)，載波頻率會(huì)按照比較有規(guī)律的跳頻圖案進(jìn)行跳變。跳頻通信是一種用跳頻碼控制載波頻率跳變的通信方式，跳頻通信系統(tǒng)是一種很多的頻點(diǎn)組成的頻移鍵控系統(tǒng)。本文后續(xù)研宄采用跳頻種子的概念是為了讓跳頻通信系統(tǒng)按照難以識(shí)別的規(guī)律進(jìn)行通信，目的是為了在保證通信可靠的同時(shí)，防止外界通信的攻擊。
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第三章基于認(rèn)知跳頻的WCN離散動(dòng)態(tài)信道分配與接入......... 26
3.1 WCN跳頻信道傳統(tǒng)分配方法......... 26
3.1.1基于跳頻的無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)信道傳統(tǒng)分配流程......... 26
3.1.2 SU占用信道受干擾和衰落情況......... 27
3.1.3無線網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)跳頻信道分配有效信息傳輸率......... 29
3.2基于認(rèn)知跳頻的WCN離散動(dòng)態(tài)信道分配......... 31
3.3 WCN離散動(dòng)態(tài)認(rèn)知跳頻信道接入算法......... 36
3.4方案驗(yàn)證與性能分析.........41
3.5本章結(jié)論......... 50
第四章總結(jié)與展望......... 51
4.1論文總結(jié)......... 51
4.2論文創(chuàng)新......... 51
4.3研究展望......... 52

第三章基于認(rèn)知跳頻的WCN離散動(dòng)態(tài)信道分配與接入

3.1 WCN跳頻信道傳統(tǒng)分配方法
從無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)跳頻信道傳統(tǒng)分配流程圖3-1中可以看出，認(rèn)知用戶（SU)對(duì)信道頻譜資源進(jìn)行空閑信道檢測(cè)，獲得SU用戶可用信道資源，這一檢測(cè)過程稱之為為頻譜感知。假設(shè)是在分布式通信環(huán)境下，SU用戶可以通過控制信道并占用《條可用信道，信道帶寬為B，SU用戶可通過定時(shí)信道感知以避免對(duì)授權(quán)用戶（PU)造成影響，及時(shí)將信道資源讓給需要的授權(quán)用戶，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信道資源共享和合理利用空閑信道資源。當(dāng)SU用戶檢測(cè)出其使用的信道處于繁忙狀態(tài)時(shí)，它就會(huì)馬上離開該繁忙信道，并調(diào)整到空閑信道上去傳輸信號(hào)。SU用戶能夠感知周圍的空閑信道資源、發(fā)送信息狀態(tài)和控制信號(hào)傳輸。SU用戶在感知周圍的信道資源的過程中，感知時(shí)間I；會(huì)影響其信道感知的準(zhǔn)確性。SU的發(fā)送信息狀態(tài)指的是用戶能夠直接發(fā)送和接收信息的狀態(tài)，其中，Td代表發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間長(zhǎng)度，當(dāng)一個(gè)時(shí)間周期Td結(jié)束之后，如果SU用戶發(fā)送信息的過程沒有受到授權(quán)用戶的影響，則SU用戶就會(huì)執(zhí)行下一個(gè)發(fā)送信息的任務(wù)，并重新感知周圍的空閑信道資源。假如該發(fā)送信息的過程受到了授權(quán)用戶的干擾，認(rèn)知用戶就會(huì)進(jìn)入到控制信息狀態(tài)，也就是認(rèn)知用戶將其占用的信道讓給授權(quán)用戶之后，SU則會(huì)調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)，并告訴接收端和其他SU用戶知曉這個(gè)過程。SU用戶能夠通過分布式認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中公用的信道來控制信息的傳遞和交流；因?yàn)檎J(rèn)知用戶需要避免和授權(quán)用戶發(fā)生沖突，也就是考慮傳輸階段是否有沖突，這樣它就會(huì)定時(shí)感知周圍頻譜資源并及時(shí)發(fā)送信息，如果發(fā)現(xiàn)有沖突，則會(huì)跳到空閑信道檢測(cè)過程中；如果通信過程沒有出現(xiàn)沖突，則繼續(xù)使用該信道傳輸數(shù)據(jù)。

總結(jié)

本論文的研究?jī)?nèi)容較新，但技術(shù)上存在一系列需要解決的難點(diǎn)問題，將無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知跳頻通信技術(shù)兩者有效融合起來是本文的主要研究，通過將兩方面的關(guān)鍵技術(shù)和前沿技術(shù)結(jié)合起來，形成基于認(rèn)知跳頻的WCN離散動(dòng)態(tài)信道分配和接入方案。文章對(duì)無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（WCN)和認(rèn)知跳頻的理論和實(shí)用技術(shù)進(jìn)行分析和演算改進(jìn)，使無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越，系統(tǒng)傳輸效率更高，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性更好。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能用的信道資源是離散動(dòng)態(tài)變化的，加上跳頻通信技術(shù)的引入讓認(rèn)知用戶能夠在離散的信道上快速跳變轉(zhuǎn)移，將兩者合理的結(jié)合起來，將兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有效的結(jié)合起來，讓兩者的性能能夠最大程度發(fā)揮出來。跳頻技術(shù)和基于信道質(zhì)量排序算法的結(jié)合運(yùn)用，能讓無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信時(shí)延較低，系統(tǒng)能夠較快、較好、較穩(wěn)的發(fā)送和接收信息。
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參考文獻(xiàn)（略）