發(fā)布時間：2017-12-11 07:42

  本文關(guān)鍵詞：認知無線網(wǎng)絡頻譜接入策略及性能分析

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【摘要】：認知無線電技術(shù)通過讓從用戶在不干擾已有授權(quán)用戶的前提下,伺機使用時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)是實現(xiàn)認知無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一,它是提高從用戶性能,保證主用戶服務質(zhì)量的有效手段�？紤]到認知無線電技術(shù)應用的實際網(wǎng)絡場景,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)絡的建模以及性能分析面臨很大的挑戰(zhàn),并且在這些實際網(wǎng)絡場景中,如何尋求更合理高效的頻譜接入策略,這成為認知無線網(wǎng)絡進行深入研究所面臨的重要問題。本學位論文正是基于以上問題,考慮了多種認知無線電技術(shù)應用場景,首先對這些場景進行建模和性能分析,然后對各種場景下的頻譜接入策略進行了深入研究。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-時頻譜接入機會分析及接入策略設(shè)計;認知傳感網(wǎng)中的自適應頻譜接入方法研究；分級從用戶的被動頻譜切換延時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知無線網(wǎng)絡,提出了從用戶數(shù)據(jù)傳輸延時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、延時等性能的影響,并把這些因素整合進M/M/1/K排隊模型,推導了從用戶的數(shù)據(jù)包平均延時以及丟包率。最后通過改進的遺傳算法對以延時最小化為目標的非線性規(guī)劃問題進行求解,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上優(yōu)于等概率、反比例以及隨機接入策略：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或數(shù)據(jù)包丟失率的影響是相矛盾的,設(shè)計時需要做出平衡。其次,針對從用戶移動場景下的認知網(wǎng)絡,提出了從用戶頻譜接入機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)在時間維度上,也表現(xiàn)在空間維度上。利用泊松點過程分別對從用戶在主用戶保護區(qū)域內(nèi)外兩種頻譜利用情況進行建模,推導出了一定區(qū)域內(nèi)從用戶空-時二維頻譜接入機會解析表達式。通過最大化空-時頻譜接入機會求得了主用戶最優(yōu)保護距離的解析式。在最優(yōu)保護距離下推導了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,從用戶密度小時的平均吞吐量明顯高于其它頻譜接入策略,但當從用戶密度遠高于信道數(shù)時,吞吐量的提升并不明顯。第三,針對認知無線傳感器網(wǎng),提出了基于從用戶節(jié)點密度的自適應頻譜接入策略。根據(jù)無線傳感器節(jié)點能量受限和隨機休眠機制的特點,在實時突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸需求下,為一個事件發(fā)生區(qū)域內(nèi)的能量受限節(jié)點的收發(fā)過程進行建模,分別在不同的節(jié)點密度下分析了一個信道轉(zhuǎn)換間隔內(nèi)襯底和交織兩種頻譜接入機制下的能效和數(shù)據(jù)包傳輸失敗率。利用兩個對數(shù)函數(shù)設(shè)計了一個包含能效和包傳輸失敗率的綜合效用指標。并通過最大化認知傳感網(wǎng)的效用指標,提出了一種節(jié)點密度自適應的頻譜接入策略,該策略要求節(jié)點密度小時采用交織頻譜接入模式,密度大時采用襯底頻譜接入模式。數(shù)值仿真結(jié)果證實了實現(xiàn)兩種頻譜接入機制轉(zhuǎn)換的自適應節(jié)點密度門限存在,并證明所提自適應策略能極大提高認知無線傳感網(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行了建模與分析,求得了多重頻譜切換延時解析表達式。根據(jù)認知無線網(wǎng)絡中從用戶通信業(yè)務對延時需求的不同,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排隊理論進行分析,得到了分級從用戶下的多重累積切換延時解析表達式。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,提出了一種自適應的目標信道選擇策略。在交織頻譜接入模式下,基于預判決頻譜切換機制,用帶有優(yōu)先權(quán)的M/G/1排隊對分級下的從用戶多重頻譜切換過程進行建模。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的解析表達式,進而以延時最小為目標提出了分級下的從用戶的最優(yōu)目標信道選擇策略。結(jié)果表明,在主用戶信道使用概率較小的時候采用“總是保持”和在主用戶信道使用概率較大時采用“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。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN925

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