认知无线电动态频谱接入关键技术研究

发布时间：2018-01-17 17:14

  本文关键词：认知无线电动态频谱接入关键技术研究　出处：《电子科技大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着无线通信需求的日益增长,频谱资源缺乏的问题越来越严重。然而,现有的固定频谱分配政策却无法充分利用有限的频谱资源。为了解决无线通信对频谱资源的需求不断增加和部分频谱资源利用率低下的矛盾,研究者提出了认知无线电的概念。认知无线电要求认知用户在不对拥有频谱授权的主用户产生有害干扰的前提下,接入主用户系统空闲的频谱资源完成通信业务,实现动态频谱资源共享,从而提高频谱资源的利用率。因此,动态频谱接入是认知无线电的核心关键技术之一,其目标是在保护主用户正常通信的前提下,快速而有效地寻找到合适的空闲信道,以完成认知用户之间的通信,从而提高频谱利用率。本论文针对认知无线电系统的动态频谱接入关键技术进行了研究。论文利用优化理论、马尔科夫决策过程以及强化学习,研究了:基于信道时变特性的频谱感知和数据传输时长联合优化;认知无线电网络中传输功率受限下,基于信道时变性的信道接入和传输速率联合优化;分布式认知无线电网络中,信道接入和资源分配的学习机制设计。全文主要研究内容概括如下:第二章研究了基于信道时变特性的频谱感知和数据传输时长联合优化问题。论文首先在单信道环境下,研究了怎样结合信道时变特性来实现最优频谱感知和传输时长的联合优化。分别在单用户和多用户场景下,利用优化理论设计了能根据信道时变性自适应调整检测和传输策略的自适应检测-传输方案。在不知道信道ON/OFF状态变化规律的情况下,认知用户通过该方案对信道状态进行预测和估计,并相应的调整检测-传输策略以提高认知用户的吞吐量性能,并确保对主用户的保护达到系统要求。论文进一步在多信道环境下,研究了基于信道时变特性的检测-传输优化问题。分别在信道状态信息不可获取和信道状态信息可获取两种情况下,设计了相应的多信道自适应检测-传输方案。仿真结果显示:多信道自适应检测-传输方案能有效提高认知用户的吞吐量。第三章研究了认知无线电网络传输功率受限条件下,基于信道时变性的信道接入和传输速率联合优化问题。在集中式和分布式两种场景下,论文综合考虑了传输功率受限、信道时变特性、传输冲突和碰撞(认知用户与主用户的冲突以及认知用户之间的冲突)等限制条件对接入性能的影响,研究了最大化认知无线电网络吞吐量的最优策略设计。在集中式场景下,论文利用约束马尔科夫决策过程求解出最优策略;在分布式场景下,论文利用约束纳什均衡证明了最优策略的存在性,并通过优化建模求出了分布式下的最优策略。考虑到求解最优策略的复杂度会随着行动集和状态空间的规模呈指数增长,论文进一步研究并提出了降低最优策略求解复杂度的方法:(1)通过行动集缩减以及状态聚合来降低策略求解的复杂度;(2)证明了在特定条件下,多信道接入和传输速率选择的联合策略设计问题可以简化为单信道问题来加以求解。此外,论文还基于纯策略模式求解出最优策略,以便使所提策略更具有实用性。最后,在主用户网络频谱占用参数未知的情况下,论文提出了最大似然估计和一阶矩估计两种方法对相应场景下的信道ON/OFF模型参数进行估计,以便在参数未知情况下求解最优策略。第四章在分布式场景下研究了信道接入和资源分配的学习机制设计,以便认知用户能在获取的反馈信息有限的条件下,通过对认知环境独立的探索和学习提高自身接入性能。首先,论文以最大化传输能效为目标,研究了认知无线电网络中的分布式信道接入和传输速率选择联合优化。论文从跨层优化的角度为认知用户定义了综合考虑能量损耗以及QoS(Quality of Service)性能的能效收益函数,并提出了分布式接入机制以减少认知无线电网络信息交互。论文还进一步设计了分布式PD-Q(Probability based Decentralized-Q)学习算法,并证明了算法的收敛性。仿真结果显示:PD-Q学习算法能显著提高认知用户能效收益。论文接下来研究了多个认知收发对在分布式场景下的中继传输问题。在认知无线电网络中,由于地理位置和主用户频谱占用情况的差异,可能导致发送端和接收端无法寻找到同一可用空闲信道进行通信。针对该问题,论文提出了完全分布式的中继选择和信道接入算法:ME-NR(Moment Estimation-No Regret)学习算法。该算法利用历史收益来估计信道参数,并采用无悔学习以不断改进策略,使得各认知收发对能通过有限的反馈信息独立选择中继节点以及相应的频谱资源,实现最大化各自吞吐量。仿真结果显示:ME-NR算法能显著提高认知收发对的吞吐量性能。
[Abstract]:In order to solve the problem of frequency spectrum sensing and data transmission based on time - varying characteristics of channel , the paper studies how to improve the utilization ratio of spectrum resources . In this paper , we study how to combine channel time - varying characteristics to improve the utilization of spectrum resources . In this paper , we propose two methods of maximum likelihood estimation and one - order moment estimation to estimate channel ON / OFF model parameters in cognitive radio network .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN925
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本文编号：1437182