认知无线电下频谱利用率及其协作中继技术的研究

发布时间：2020-09-01 09:33

　　无线移动通信行业的飞速发展,使得不可再生的频谱资源日趋紧张,为了改善这类状况,研究者们提出了认知无线电技术。该技术使得认知用户可以共享授权用户未使用的频谱资源进行通信,从而提高频谱利用率。目前认知无线电技术的研究主要从四个方向入手:即频谱感知、频谱分配、频谱共享和频谱切换。本文主要研究的是优化频谱分配方案和算法,对频谱资源进行更加合理有效的分配;同时当系统采用下垫式频谱共享方式时,为了降低对授权用户所在主网络的干扰,存在认知用户发射功率较低导致认知用户通信链路质量较差,进而严重限制认知用户端到端吞吐量的问题,故将协作中继技术引入认知无线电系统,有效地提升认知用户端到端吞吐量和通信质量。首先,说明了课题的研究背景与意义、国内外研究现状以及论文组织结构与工作安排,阐述了认知无线电系统和协作中继技术的相关理论知识,并讨论了协作中继技术在认知无线电中的三种应用场景。其次,在原始萤火虫算法的基础上,研究该算法的可优化点提出一种改进型蛙跳萤火虫算法,利用该算法优化频谱分配方案,提高频谱资源利用率。新算法引入蛙跳算法的族群划分思想,使得全局最优信息在整个种群中传递,避免陷入局部最优解;同时将固定步长改为自适应可变步长,利用自适应协调因子动态调整步长,从而加快收敛速度和搜索精度。通过四个标准函数和频谱分配模型实验仿真结果可知,改进型算法在搜索速度、求解精度、迭代过程稳定性以及网络总效益等方面均优于原始算法。最后,研究认知用户间的协作中继策略,以提升认知用户端到端吞吐量。在本文的系统模型下,深入研究认知协作中继网络的信道分配模式以及优化的功率分配,并提出一种结合信道分配的最佳单中继选择方案,对选取的最佳单中继执行恰当模式的信道分配,使得系统能够利用直接传输、双跳传输、协作传输这三种传输方式进一步提升认知用户端到端的吞吐量,与多中继方案相比,该方案可以凭借较低的系统开销和复杂度,优化端到端的吞吐性能,更具有实际应用价值。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN925
【部分图文】：

认知无线电,技术引入,频谱,无线通信系统

频谱空穴是认知无线电的重要工作参数，它将频谱资源的使用情况具体到了特定的地点、逡逑特定的时间和特定的频段［３７］，表示的是在某时刻授权频谱处于空闲状态，对于认知用户出现逡逑的暂时性的频谱使用机会。它是一个可二次利用的空间－时间频率区域，其示意图如图２．１所逡逑示。由图可知，若频谱资源在某一频率或者某一时间段是没有被使用的，可以在不影响授权逡逑用户通信的情况下，对这些频谱资源进行“二次利用”。逡逑■■被使用频谱逡逑１逦１频谱空穴逡逑频率逡逑＇—■逡逑［／邋■邋逦逡逑／逦逦邋时间逡逑图２．１频谱空穴概念逡逑将认知无线电技术引入无线通信系统，使得系统中的用户和网络类型均被分为两大类［３８］：逡逑一类是主用户，也可以叫作授权用户，是通过频谱管理机构授予频谱最高使用权限的无线电逡逑用户，通过授权用户构成的网络被称为授权网络或主网络，目前通信网络中存在的主网络包逡逑６逡逑

频谱,频谱分配,技术分类,接入方式

２．３．１频谱分配技术主要分类逡逑随着网络系统模型及应用场景的改变，认知无线电系统的频谱分配方式也对应有不同的逡逑分类，按照图２．２所示的分类标准，可以分为以下六种频谱分配方式逡逑频谱分配技术逡逑频谱接入方式逦网络结构逦网络用户合作方式逡逑完全受限部分受限集中式分布式合作式非合作式逡逑频谱分配Ｉ频谱分配Ｉ频谱分配Ｉ频谱分配Ｉ频谱分配Ｉ频谱分配逡逑图２．２频谱分配技术分类图逡逑１）

认知无线电,图论模型,频段

点用直线连接起来说明这对认知用户之间冲突，不能同一时间接入同一频段，否则会产生干逡逑扰。逡逑图２．３代表的是认知无线电系统的一个网络拓扑结构，系统中的５个顶点分别表示５个逡逑认知用户，用数字１－５表示，用Ａ、Ｂ、Ｃ表示系统存在的可选择频段，用Ｉ－ＩＶ表示系统的四逡逑个授权用户，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｃ是它们的授权频段。通常情况下，授权用户的发射功率决定它的逡逑通信覆盖范围，根据发射功率的变化覆盖范围会相应变化，若某认知用户想要使用某授权用逡逑户的频段，若对认知用户不加约束，则会对授权用户的正常信息传输产生干扰，故认知用户逡逑需要在一定限制条件下使用可用空闲频段。如图２．３中所示，虚线圆圈表示的是授权用户的逡逑覆盖范围，授权用户的授权频段就是它们当前占用的信道，各认知用户的可用频段集合和他逡逑们所在区域的授权频段均是不相同的，比如认知用户２位于授权用户ｎｉ的领域，则信道Ｃ逡逑对于认知用户２就是不可用的

【参考文献】