本文關(guān)鍵詞：分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的QoS保障關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)作為下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù),解決了現(xiàn)有“行政管理”頻譜分配方式導(dǎo)致的授權(quán)無(wú)線資源低利用率的問(wèn)題。通過(guò)感知和理解所處環(huán)境,認(rèn)知用戶(Secondary User,SU)根據(jù)自身服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,Qo S)要求,在有效規(guī)避授權(quán)用戶(Primary User,PU)的同時(shí)完成自身通信。然而,在分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中,Qo S保障面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn):(1)相比具有高優(yōu)先級(jí)頻譜使用權(quán)的PU,SU僅具備低優(yōu)先級(jí)頻譜使用權(quán),這種頻帶使用權(quán)限的不等導(dǎo)致SU頻繁地進(jìn)行頻譜切換行動(dòng);(2)跟任何無(wú)線通信一樣,認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)也存在安全隱患;(3)分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中不存在可用的頻譜資源。在歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外最新研究成果的基礎(chǔ)之上,本文針對(duì)以上三個(gè)問(wèn)題逐步展開課題研究。首先,針對(duì)兩種視頻模式在頻譜切換過(guò)程中Qo S的保障問(wèn)題,提出了一種基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃和部分觀測(cè)馬爾可夫過(guò)程的進(jìn)化切換策略。通過(guò)引入分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中存在的多種實(shí)際限制因素(例如不完美的PU感知結(jié)果、SU有限的感知范圍、PU和SU的非同步通信、SU移動(dòng)性以及SU硬件限制等),并根據(jù)實(shí)時(shí)視頻和視頻流的兩種特定Qo S要求,將頻譜切換過(guò)程分解為短期優(yōu)化過(guò)程和長(zhǎng)期優(yōu)化過(guò)程。在實(shí)時(shí)視頻(或視頻流)傳輸過(guò)程中,基于PU的沖突概率等實(shí)際限制因素,將短期優(yōu)化問(wèn)題建模為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題。在長(zhǎng)期優(yōu)化過(guò)程中,基于不準(zhǔn)確的信道感知結(jié)果、受限的感知范圍等制約因素,以多個(gè)短期優(yōu)化收益之和為目標(biāo)函數(shù),SU將長(zhǎng)期頻譜切換過(guò)程建模為部分可觀測(cè)馬爾可夫過(guò)程。通過(guò)求解此過(guò)程,SU制定了進(jìn)化切換策略,并最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻和視頻流Qo S的最優(yōu)化。其次,針對(duì)MAC層受到縮減窗口攻擊問(wèn)題,提出了一種基于規(guī)則的預(yù)先防御機(jī)制。首先,對(duì)貪婪認(rèn)知系統(tǒng)(Greedy Cognitive Radio,GCR)設(shè)定兩個(gè)通信規(guī)則:(1)為了獲取更高的信道接入優(yōu)先級(jí),GCR要自愿延長(zhǎng)自身數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間;(2)在某些時(shí)隙上,GCR要允許普通認(rèn)知系統(tǒng)(Normal Cognitive Radio,NCR)與之共同使用信道�；谶@兩個(gè)規(guī)則,NCR可以獲得更多的通信機(jī)會(huì),并將自身通信過(guò)程分為兩個(gè)步驟:步驟一、基于實(shí)際傳輸環(huán)境,NCR首先檢測(cè)并記錄GCR的通信行動(dòng),以此計(jì)算出自身可用的最新信道接入概率;步驟二、基于接入概率和規(guī)則(1)中GCR數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展延遲時(shí)間,NCR將可用信道帶寬比例問(wèn)題建模為有約束條件的非線性規(guī)劃問(wèn)題。通過(guò)此問(wèn)題的求解,SU實(shí)現(xiàn)了單位時(shí)隙內(nèi)吞吐量的最大化。更進(jìn)一步,針對(duì)于縮減窗口攻擊和客觀功能攻擊組成的聯(lián)合攻擊,提出了一種基于環(huán)境進(jìn)化的強(qiáng)化學(xué)習(xí)預(yù)先保護(hù)機(jī)制。在提出的機(jī)制中,通過(guò)將單位時(shí)隙內(nèi)SU吞吐量?jī)?yōu)化問(wèn)題建模為一個(gè)復(fù)合馬氏決策過(guò)程,NCR不僅可以提高單位時(shí)隙內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù),而且還能在長(zhǎng)期通信過(guò)程中有效地降低GCR的惡意干擾。最后,針對(duì)分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中有、無(wú)可用信道的兩種情況,基于TCP Reno協(xié)議中傳輸層Qo S要求,提出了兩種天線選擇策略。當(dāng)分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中存在可用信道時(shí),通過(guò)聯(lián)合考慮傳輸層中TCP Reno協(xié)議、物理層中天線選擇技術(shù)與多種調(diào)制方式,SU將傳輸層吞吐量最大化問(wèn)題建模為最大最小優(yōu)化模型。通過(guò)此模型的求解,設(shè)計(jì)了理想情況下傳輸層吞吐量最優(yōu)的天線選擇策略。此外,當(dāng)分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中不存在可用信道時(shí),基于PU干擾容限限制,通過(guò)使用機(jī)會(huì)空間正交方法,提出了傳輸層實(shí)際吞吐量最優(yōu)的天線選擇策略。基于兩種天線選擇策略的設(shè)計(jì),一方面SU可以通過(guò)物理層技術(shù)(例如天線選擇技術(shù)和多種調(diào)制方式)的動(dòng)態(tài)調(diào)整來(lái)直接優(yōu)化傳輸層Qo S,另一方面也可以達(dá)到充分利用“時(shí)域、頻域、空域”可用資源的目的。
【關(guān)鍵詞】：分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò) 頻譜切換 攻擊與防御 天線選擇 Qo S
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN925
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-34
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義13-16
• 1.2 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展16-18
• 1.2.1 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的定義16-17
• 1.2.2 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展17-18
• 1.3 不同認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)QOS保障的研究現(xiàn)狀18-24
• 1.3.1 中心式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)Qo S保障研究現(xiàn)狀19-21
• 1.3.2 分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)Qo S保障研究現(xiàn)狀21-24
• 1.4 DCRNS中用于QOS保障的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀24-30
• 1.4.1 CR技術(shù)中頻譜切換研究現(xiàn)狀25-27
• 1.4.2 CR技術(shù)中安全問(wèn)題研究現(xiàn)狀27-29
• 1.4.3 CR技術(shù)中空域利用研究現(xiàn)狀29-30
• 1.5 論文主要研究?jī)?nèi)容及組織結(jié)構(gòu)30-34
• 第2章 CRNs中Qo S保障的關(guān)鍵技術(shù)及其基礎(chǔ)理論34-50
• 2.1 引言34
• 2.2 CRNS中頻譜切換的基礎(chǔ)理論34-37
• 2.3 CRNS中攻擊模式及安全防御機(jī)制的理論基礎(chǔ)37-40
• 2.4 CRNS中空域利用的理論基礎(chǔ)40-46
• 2.5 馬氏決策理論46-49
• 2.5.1 MDP的基本組成部分46-47
• 2.5.2 MDP的策略及準(zhǔn)則47-48
• 2.5.3 POMDP的基本組成部分48-49
• 2.6 本章小結(jié)49-50
• 第3章 頻譜切換過(guò)程中視頻Qo S保障研究50-80
• 3.1 引言50-51
• 3.2 問(wèn)題描述51-52
• 3.3 系統(tǒng)模型52-55
• 3.4 單個(gè)時(shí)隙內(nèi)最大化視頻收益的策略55-58
• 3.4.1 單個(gè)時(shí)隙內(nèi)實(shí)時(shí)視頻傳輸中SU最優(yōu)停止感知時(shí)間55-57
• 3.4.2 單個(gè)時(shí)隙內(nèi)視頻流傳輸中SU最小阻斷率57-58
• 3.5 視頻傳輸過(guò)程中進(jìn)化切換策略的設(shè)計(jì)58-64
• 3.5.1 實(shí)時(shí)視頻傳輸過(guò)程中進(jìn)化切換策略的制定58-61
• 3.5.2 視頻流傳輸過(guò)程中進(jìn)化切換策略的制定61-64
• 3.6 仿真結(jié)果及分析64-78
• 3.6.1 實(shí)時(shí)視頻在短期優(yōu)化中傳輸延遲分析65-69
• 3.6.2 實(shí)時(shí)視頻長(zhǎng)期傳輸中進(jìn)化切換策略仿真分析69-74
• 3.6.3 視頻流在短期優(yōu)化中視頻包阻斷率分析74-76
• 3.6.4 視頻流長(zhǎng)期傳輸中進(jìn)化切換策略仿真分析76-78
• 3.7 本章小結(jié)78-80
• 第4章 針對(duì)MAC層攻擊的預(yù)先防御機(jī)制研究80-101
• 4.1 引言80-81
• 4.2 系統(tǒng)模型81-82
• 4.3 針對(duì)退避窗.攻擊的預(yù)先防御機(jī)制82-85
• 4.3.1 PPS機(jī)制下NCR的傳輸步驟82-83
• 4.3.2 PPS機(jī)制下NCR吞吐量的最大化83-85
• 4.4 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的預(yù)先防御機(jī)制85-89
• 4.4.1 RLPPS機(jī)制下系統(tǒng)模型85-86
• 4.4.2 RLPPS機(jī)制下最大吞吐量86-89
• 4.5 仿真結(jié)果分析89-100
• 4.5.1 PPS機(jī)制的性能分析89-96
• 4.5.2 RLPPS機(jī)制的性能分析96-100
• 4.6 本章小結(jié)100-101
• 第5章 基于天線選擇策略的傳輸層Qo S優(yōu)化101-117
• 5.1 引言101-102
• 5.2 系統(tǒng)模型102-103
• 5.3 跨層傳輸中天線選擇優(yōu)化方案103-109
• 5.3.1 理想情況下跨層傳輸中天線選擇優(yōu)化方案103-106
• 5.3.2 實(shí)際情況下跨層傳輸中天線選擇優(yōu)化方案106-109
• 5.4 仿真結(jié)果分析109-115
• 5.4.1 理想情況下AS-MTT策略的性能分析109-111
• 5.4.2 實(shí)際情況下AS-MPTT策略的性能分析111-115
• 5.5 本章小結(jié)115-117
• 結(jié)論117-119
• 參考文獻(xiàn)119-130
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果130-133
• 致謝133-134
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷134

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本文編號(hào)：557891