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随着社会、经济和移动互联网的迅速发展,商业、家庭、公共安全等领域的无线业务对频谱资源的需求越来越迫切。频谱紧缺的问题已经成为制约无线通信发展的瓶颈。认知无线电网络能够从根本上改善频谱利用率低的现状,是下一代网络的主要发展方向之一。然而,由于认知无线电网络中频谱资源的动态变化性,如何有效地分配频谱,最大程度的满足用户需求,以及全面了解频谱动态变化性对网络连通性的影响仍然是一个具有极具挑战性的课题。
针对以上问题,本论文以具有动态频谱资源的认知无线电网络为研究对象,重点研究动态频谱资源的分配与切换问题,以及动态频谱资源环境下的网络连通性问题。本论文所取得的创新性研究成果可归纳如下:
1.基于谱图分割的分布式频谱分配
认知无线电网络中的频谱分配需要高效、快速地适应频谱环境的动态变化特征。然而,网络用户的增多会造成信道分配复杂性的指数级增长。因此,如何降低频谱分配的复杂度,提高分配效率是当前要解决的紧要问题。
本论文针对上述问题提出了一个基于谱图分割的分布式频谱分配机制。首先利用代数图理论中的谱图分割技术将认知用户划分成互不重叠的分组。然后在每个分组中分布式地执行快速收敛频谱分配算法。该机制能够有效地均衡频谱分配任务,提高分配效率。
2.基于QoS保证的频谱分配机制
当前的频谱分配机制主要从系统效率和用户收益方面考虑,并没有充分的考虑用户的传输需求。在认知无线电网络中,如果当前分配的信道不能满足认知用户的传输需求,则需要给用户重新分配信道,从而造成数据传输的中断。频繁的频谱分配及切换操作会增加系统的额外开销和丢包率,从而降低了用户服务质量。因此,研究如何有效满足用户的传输需求,在频谱访问机制中具有很重要的意义。
本论文从提高用户服务质量的角度设计了一种通信量敏感的频谱访问机制。在该机制中认知用户首先通过链路质量计算自己的期望传输时间,并且根据授权用户的空闲时间分布来估算信道空闲时间。然后,用户可以从能满足自身需求的可用信道集中选择最适合自己的信道进行传输。该机制可以有效避免认知用户与授权用户的冲突,减小开销,满足认知用户的传输需求。最后,本论文还将这一机制扩展到多信道的场景。实验分析表明,该机制在多信道场景中也能够减小冲突,达到提高用户服务质量的目的。
3.基于干扰感知的频谱切换方案
在认知无线电网络中,授权用户享有对注册信道使用的优先权。因此,当授权用户出现后,认知用户必须终止他们的传输或者切换到其他可用信道继续传输。然而,在多认知用户的场景中,当针对授权用户和认知用户的干扰限制都被考虑进来之后,如何作出最优的频谱切换决策就变的很有挑战性。
本论文针对多认知用户场景中的频谱切换问题提出了一个基于干扰感知的频谱切换模型。在该模型中,首先基于干扰温度的概念,将频谱切换的决策问题规划成一个带约束的优化问题。然后,利用分支邛艮界技术为该优化问题的求解设计了一个启发式算法。最后,本论文又将频谱切换问题跟功率控制相结合,并针对单认知用户的场景给出了解决方案。实验结果表明本论文提出的方案能够有效地提高网络性能。
4.连通性分析
大规模无线网络的连通性研究在过去几年中广受关注。与传统的无线网络不同,在认知无线电网络中,授权用户拥有对注册信道接入的优先权。因此,认知无线电网络的连通性不仅仅受认知用户密度和传输功率的影响,还受到授权用户密度和活动以及注册信道数量的影响。因此,如何考察在动态频谱环境中认知无线电网络的连通性是一个亟待解决的问题。
针对这一问题本论文提出了一个面向认知无线电网络的连通性分析模型。该模型考虑了信道数量以及授权用户活动对连通性的影响;在理论上证明了只有当授权用户的密度低于关键密度且认知用户密度高于关键密度时,认知用户才能够形成一个渗流网络;最后给出了渗流现象发生的授权用户关键密度值的上限。仿真实验表明,信道数量和授权用户的活动都会对认知无线电网络的连通性产生很大的影响。