认知无线电网络中次用户传输性能边界建模与分析

发布时间：2020-06-10 23:21

【摘要】：无线通信技术的飞速发展推动了包括智能电网、车联网、物联网等新型网络不断涌现,使得各种无线设备的数量出现爆发式增长,给稀缺的频谱资源带来了巨大的压力。认知无线电技术因其允许次用户在主用户频谱空洞中进行数据传输,而成为缓解频谱资源不足与需求增大这一矛盾的关键技术之一。在保障主用户性能的前提下、同时最大程度提高次用户性能成为当前认知无线电网络研究的关注点。目前研究成果主要从性能期望值的角度展开,然而网络的随机性会导致次用户性能偏离期望值,因而有文献对次用户性能边界做了探讨,但尚未有较为系统的研究成果。因此,本文以次用户的性能边界研究为核心,对次用户传输过程中的关键技术进行建模,综合分析了主用户状态、频谱感知错误、多址接入、信道衰落和多跳等因素对次用户吞吐率边界和延时边界这两个关键性能参数的影响,最后提出基于延时边界约束的网络参数优化方法。本文的主要研究内容包括:首先,对次用户传输中多址接入机制的性能边界展开研究,提出了基于延时边界的参数优化方法,为次用户传输性能边界分析奠定基础。本文针对次用户的竞争接入和非竞争接入两种典型的接入机制,分析了次用户在主用户频谱空洞中动态接入的随机特征,建立了以服务曲线所表示的边界模型,研究了主用户状态和多址接入机制对次用户延时边界的影响。通过理论和仿真分析,本文发现当次用户数增加时,非竞争接入方式的延时边界随之线性增大,而竞争接入方式的延时边界随之指数增大,表明竞争接入方式的延时边界会因为次用户数增加而迅速恶化,由此,本文提出了基于延时边界的参数优化方法。其次,对次用户多跳传输性能边界展开研究,提出了基于次用户数驱动的多跳策略,提升了端到端延时性能,为优化次用户多跳传输性能提供理论依据。在已有的边界建模研究中,往往考虑数据与服务之间的相关性,以简化性能边界分析,而本文则提出了与次用户数据相互独立的有损过程以构建次用户的边界模型,从而得到了更紧致的延时边界。针对多跳传输性能分析中经典的逐跳叠加方法的局限性,本文提出一个基于串联等效的端到端边界模型,获得更紧致的端到端延时边界。进一步研究端到端延时边界与跳数的关系,发现延时边界与跳数之间满足线性尺度规律。通过理论和仿真分析,本文发现主用户状态和竞争次用户数对次用户性能边界的影响比感知错误所产生的影响更强;此外,多跳传输的端到端延时边界与跳数呈线性关系,与竞争次用户数呈指数关系。基于端到端延时边界与次用户数和跳数的不同关系,本文提出了基于次用户数驱动的多跳策略,提升了端到端延时性能。最后,研究了衰落信道中次用户的传输性能边界,提出了基于衰落敏感的多跳策略,降低了端到端延时,为优化次用户在衰落信道中的传输性能提供理论基础。由于无线信道存在衰落,而香农定理则准确表征了衰落信道的服务能力,为了利用香农定理构建次用户在衰落信道中传输的边界模型,本文从变换域角度出发,建立了次用户在主用户频谱空洞中传输的变换域多跳传输边界模型,将主用户状态和信道衰落融入模型中,分析了信道衰落和多跳对端到端延时边界的影响。研究表明端到端延时边界与信道衰落的减弱呈负指数关系,而与跳数呈线性关系。基于此,本文提出了基于衰落敏感的多跳策略,降低了端到端延时。综上所述,本文围绕次用户传输的边界模型展开研究,分析了次用户的传输性能边界,提出了基于性能边界的网络参数优化方法,对于认知无线电技术在新型网络中的应用提供了一定的理论依据。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN925

【参考文献】