基于认知跳频的WCN离散动态信道分配与接入技术研究

【摘要】 伴随着科学技术的飞速发展,通信技术时代也由3G时代逐步迈向4G时代,无线网络通信技术也逐步取得了巨大的成就。而信道资源始终是有限的,随着可用信道资源的减少,人们深刻感受到信道资源的可贵。与此同时,无线网络通信的可靠性、稳定性、网络服务质量和可控性等问题都已经成为了三大运营商、政府网络监管部门和众多网络用户关注的焦点。本文主要注重离散动态信道分配与接入中的信道选择策略,结合认知跳频通信技术,以求设计出更为有效的离散动态信道选择策略,从而达到提高无线网络通信系统的频谱利用率和信道占用率的目的。课题最终目标是希望解决无线认知网络信道面临的干扰、冲突与衰落问题,以及降低由于认知用户对环境感知带来的通信时延开销,同时解决授权用户与认知用户的共存与离散动态信道资源共享问题。本文结合无线认知网络离散动态信道分配与接入技术和跳频通信技术的优势,分析将两项技术结合时的条件,在两者结合可行的前提下,提出了基于认知跳频的WCN(无线认知网络)离散动态信道分配与接入技术。本文以信道资源最优化分配及认知链路的通信可靠性为目标,结合跳频思想,建立认知跳频接入机制,提出一种具有高可靠性能的离散动态信道分配策略,在提高信道资源利用的同时可增强系统的传输性能。论文研究成果有可能为未来高速率高带宽无线通信网络系统的设计提供理论依据。因此,基于认知跳频的无线认知网络离散动态信道分配与接入技术有良好的应用前景。 

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义
在以应急环境（火灾现场、空难急救现场、反恐人质解救、自然灾害国际救助等）的数据通信为应用背景的特殊行业通信系统中，基于认知跳频的无线认知网络可有效提高节点对应急环境中信道资源的利用效率，优化网络的综合性能。另外，在军事领域，无线认知网络技术可有效解决复杂多变电磁环境下通信系统的自干扰问题和非本土作战时的无线环境自适应问题，大幅度提高军事信息系统和自组网的网络容量及可靠性，满足未来一体化作战条件下大规模的无线电应用⑴。在民用通信中，，无线认知网络站在频谱理性占用的角度上，从技术上改善网络的频率使用效率问题、复杂多变电磁环境下通信系统的信道管理问题和网络传输瓶颈问题，充分发挥通信终端的使用效能，提高网络容量和对服务质量的支持，从而推动其应用的拓展。综上所述，无线认知网络在商业应用、特殊公共服务行业和军事应用领域均具有良好的应用前景。目前提出的信道分配、选择和接入等相关算法都是在传统的连续信道分配策略上进行的改进与创新，而忽略了在WCN (无线认知网络）中认知用户所获得的信道资源的动态性，因此所提出的各种算法缺乏通用性。此外，目前的研宄均是以提高信道利用率、主网络的QoS为目标，鲜有文献研宄认知用户链路的通信可靠性。军用通信中敌方的故意干扰和阻塞，以及现代通信系统中广泛存在的窄带干扰。在WCN中，均可视为PUE攻击(模仿主用户攻击，PrimaryUser Emulation)?这些干扰会使得信道严重衰落。认知用户在检测到授权用户空闲信道时就直接接入而没有考虑信道质量状况，从而会使得认知用户通信在严重衰落的信道上而导致通信的失败。
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1.2无线认知网络国内外研究现状
目前关于认知无线电网络中的MAC协议研究较多，几乎所有的研宄都认为网络中的MAC协议应采用动态信道接入机制（DSA , Dynamic Spectrum Access)。目前基于CR的DSA的研宄主要基于频谱共享池（spectrum pooling)这一策略。为规定用户之间选择信道的协商机制，Mitola在文献[I3]中提出了标准的无线礼仪协议的初始框架，主要包括主用户与认知用户之间交互的租用信道协议、当授权再次出现时服从的补偿协议、信道使用优先级协议等。由于认知用户本质上是一个自治的智能代理，目前的研究大多集中于动态分布式资源分配方面。对策论（又称博弈论，Game Theory)是一种有效的分析实时认知用户交互过程的工具。由于经典对策模型不包含学习环节，采用一些嵌入学习功能的改进型对策模型如贝叶斯对策等，是目前研究的热点问题。Nie等人将对策论的应用做了进一步的扩展，分别分析了合作用户和非合作用户情况下系统的性能，指出基于合作的DSA可提高全网的性能[I4]，但这种基于合作的方法强调系统的整体有效性，必要时需牺牲局部性能。之后很多研究对该方法进行了改进，以接近最优分配。如Peng和Zheng等人相继提出的标签机制，可区分用户的优先级，得到50%的性能改善Cao等人提出的本地讨价还价(Local Bargaining)算法，釆用公平的业务保证机制，可提供文献[14]和[15]中相近的性能，但明显降低了系统的复杂性[I7]。虽然这些方法都取得了一些进步，但这些基于合作的方法为了共享相邻用户频繁交换的协作信息，需要公共的协调协议和通信链路，必然会增加系统的复杂性和额外开销。这对于能量受限的通信系统，如AdHoc、无线传感器网络等并不适用。针对以上问题，Zheng等人提出了基于设备的频谱管理（相对于基于政策的频谱管理）方案。
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第二章无线认知网络与认知跳频通信技术的融合

2.1无线认知网络的概述
无线认知网络是在认知无线电技术的基础上形成的无线网络形态。当前，无线认知网络技术从理论创新到实践应用都面临着许多问题。然而，如今用户追求的是高速、稳定、感知较好的无线通信网络，随着无线通信需求的不断增长，支持无线通信技术的数据传输速率要求也就越来越高。目前较为常见信道分配采用的是固定分配的方法，该分配方法是将一定频段上的信道划分给授权用户（PU),而这些己经分配给授权用户的信道空闲时，也不允许其他用户使用，这就造成了空闲信道资源的浪费。在未来无线移动通信领域，研究人员也将更加注重信道利用率和不同网络结构如何更好的结合在一起工作。运用认知无线电技术的无线认知网络，不仅包括运用认知无线电技术，而且在网络层上面上的应用也有了更高的要求；无论是从网络元素，还是从网络结构、功能方面来讲都有了更高的要求。无线认知网络能够将具有认知能力、重新配置能力的无线网络接入技术和可以同时保持多条通信链路的用户设备整合到同一个无线网络框架，从而能够将不同的无线网络融合在一起，实现最大力度提高无线网络资源利用率的目标，给用户带来较好的网络感知。无线认知网络能够对无线网络环境和用户使用的环境进行学习和推理，从而实现对资源的有效利用和对网络的优化，是实现未来无线移动通信网络智能化的较好的网络模式[21]。无线认知网络不仅为运营商提供了较好的网络运行环境，同时也为用户提供了动态和多样化的网络体验平台。
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2.2认知跳频通信技术的基本原理
随着4G时代的到来，无线通信系统的抗干能力对于通信的可靠性、稳定性来说显得非常重要，将跳频通信运用到无线网络当中可极大减少通信系统受外界通信环境的影响。定频通信是无线通信系统中较为常见的通信方式，而定频通信的主要特点是其在固定的频段上通信。而跳频通信是一种比较好用的扩频通信方式扩展通信方式包括跳时扩频、直接序列扩频和跳频扩频。跳频序列生成器、跳频频率合成器和跳频同步系统是跳频通信系统中最重要的组成部分。跳频通信中收发双方信号载波频率根据事先的规定进行离散变换，通信过程中伪随机序列会将载波频率控制在较宽的频带范围，与此同时，载波频率会按照比较有规律的跳频图案进行跳变。跳频通信是一种用跳频码控制载波频率跳变的通信方式，跳频通信系统是一种很多的频点组成的频移键控系统。本文后续研宄采用跳频种子的概念是为了让跳频通信系统按照难以识别的规律进行通信，目的是为了在保证通信可靠的同时，防止外界通信的攻击。
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第三章基于认知跳频的WCN离散动态信道分配与接入......... 26
3.1 WCN跳频信道传统分配方法......... 26
3.1.1基于跳频的无线认知网络信道传统分配流程......... 26
3.1.2 SU占用信道受干扰和衰落情况......... 27
3.1.3无线网络传统跳频信道分配有效信息传输率......... 29
3.2基于认知跳频的WCN离散动态信道分配......... 31
3.3 WCN离散动态认知跳频信道接入算法......... 36
3.4方案验证与性能分析.........41
3.5本章结论......... 50
第四章总结与展望......... 51
4.1论文总结......... 51
4.2论文创新......... 51
4.3研究展望......... 52

第三章基于认知跳频的WCN离散动态信道分配与接入

3.1 WCN跳频信道传统分配方法
从无线认知网络跳频信道传统分配流程图3-1中可以看出，认知用户（SU)对信道频谱资源进行空闲信道检测，获得SU用户可用信道资源，这一检测过程称之为为频谱感知。假设是在分布式通信环境下，SU用户可以通过控制信道并占用《条可用信道，信道带宽为B，SU用户可通过定时信道感知以避免对授权用户（PU)造成影响，及时将信道资源让给需要的授权用户，实现动态信道资源共享和合理利用空闲信道资源。当SU用户检测出其使用的信道处于繁忙状态时，它就会马上离开该繁忙信道，并调整到空闲信道上去传输信号。SU用户能够感知周围的空闲信道资源、发送信息状态和控制信号传输。SU用户在感知周围的信道资源的过程中，感知时间I；会影响其信道感知的准确性。SU的发送信息状态指的是用户能够直接发送和接收信息的状态，其中，Td代表发送数据包的时间长度，当一个时间周期Td结束之后，如果SU用户发送信息的过程没有受到授权用户的影响，则SU用户就会执行下一个发送信息的任务，并重新感知周围的空闲信道资源。假如该发送信息的过程受到了授权用户的干扰，认知用户就会进入到控制信息状态，也就是认知用户将其占用的信道让给授权用户之后，SU则会调整系统内部的各项参数，并告诉接收端和其他SU用户知晓这个过程。SU用户能够通过分布式认知网络中公用的信道来控制信息的传递和交流；因为认知用户需要避免和授权用户发生冲突，也就是考虑传输阶段是否有冲突，这样它就会定时感知周围频谱资源并及时发送信息，如果发现有冲突，则会跳到空闲信道检测过程中；如果通信过程没有出现冲突，则继续使用该信道传输数据。

总结

本论文的研究内容较新，但技术上存在一系列需要解决的难点问题，将无线认知网络和认知跳频通信技术两者有效融合起来是本文的主要研究，通过将两方面的关键技术和前沿技术结合起来，形成基于认知跳频的WCN离散动态信道分配和接入方案。文章对无线认知网络（WCN)和认知跳频的理论和实用技术进行分析和演算改进，使无线通信网络系统的性能更加优越，系统传输效率更高，系统稳定性和可靠性更好。认知无线网络能用的信道资源是离散动态变化的，加上跳频通信技术的引入让认知用户能够在离散的信道上快速跳变转移，将两者合理的结合起来，将两种技术的优势有效的结合起来，让两者的性能能够最大程度发挥出来。跳频技术和基于信道质量排序算法的结合运用，能让无线网络系统的通信时延较低，系统能够较快、较好、较稳的发送和接收信息。
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参考文献（略）