认知无线网络频谱接入策略及性能分析

发布时间：2017-12-11 07:42

  本文关键词：认知无线网络频谱接入策略及性能分析

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【摘要】：认知无线电技术通过让从用户在不干扰已有授权用户的前提下,伺机使用时间或空间上空闲的频谱,来大幅提高频谱利用率,从而缓解频谱资源匮乏的问题。而动态频谱接入技术是实现认知无线电的关键技术之一,它是提高从用户性能,保证主用户服务质量的有效手段。考虑到认知无线电技术应用的实际网络场景,由于受多重跨层因素、用户的移动特性以及用户的类型等因素的影响,使得网络的建模以及性能分析面临很大的挑战,并且在这些实际网络场景中,如何寻求更合理高效的频谱接入策略,这成为认知无线网络进行深入研究所面临的重要问题。本学位论文正是基于以上问题,考虑了多种认知无线电技术应用场景,首先对这些场景进行建模和性能分析,然后对各种场景下的频谱接入策略进行了深入研究。主要包括：多信道跨层因素下的从用户性能分析及频谱接入策略研究；移动场景下从用户的空-时频谱接入机会分析及接入策略设计;认知传感网中的自适应频谱接入方法研究；分级从用户的被动频谱切换延时分析和主动频谱切换下的信道选择方法研究。论文首先针对多重跨层因素影响下的多信道认知无线网络,提出了从用户数据传输延时最小的频谱接入策略。在交织频谱接入模式下,综合考虑了物理层、数据链路层、MAC层等多重跨层因素对从用户数据包传输成功率、延时等性能的影响,并把这些因素整合进M/M/1/K排队模型,推导了从用户的数据包平均延时以及丢包率。最后通过改进的遗传算法对以延时最小化为目标的非线性规划问题进行求解,得到了多信道下从用户的最优频谱接入向量。数值仿真结果证明了所提接入策略在延时上优于等概率、反比例以及随机接入策略：并表明了在这些跨层因素中,ARQ最大重传次数和从用户缓存容量对延时或数据包丢失率的影响是相矛盾的,设计时需要做出平衡。其次,针对从用户移动场景下的认知网络,提出了从用户频谱接入机会最大化下的多信道频谱接入策略。由于用户的移动性,频谱空洞不仅表现在时间维度上,也表现在空间维度上。利用泊松点过程分别对从用户在主用户保护区域内外两种频谱利用情况进行建模,推导出了一定区域内从用户空-时二维频谱接入机会解析表达式。通过最大化空-时频谱接入机会求得了主用户最优保护距离的解析式。在最优保护距离下推导了Nakagami信道下的从用户吞吐量,并通过最大化吞吐量找到了从用户的最优频谱接入策略。仿真结果表明在所提频谱接入策略下,从用户密度小时的平均吞吐量明显高于其它频谱接入策略,但当从用户密度远高于信道数时,吞吐量的提升并不明显。第三,针对认知无线传感器网,提出了基于从用户节点密度的自适应频谱接入策略。根据无线传感器节点能量受限和随机休眠机制的特点,在实时突发数据业务的传输需求下,为一个事件发生区域内的能量受限节点的收发过程进行建模,分别在不同的节点密度下分析了一个信道转换间隔内衬底和交织两种频谱接入机制下的能效和数据包传输失败率。利用两个对数函数设计了一个包含能效和包传输失败率的综合效用指标。并通过最大化认知传感网的效用指标,提出了一种节点密度自适应的频谱接入策略,该策略要求节点密度小时采用交织频谱接入模式,密度大时采用衬底频谱接入模式。数值仿真结果证实了实现两种频谱接入机制转换的自适应节点密度门限存在,并证明所提自适应策略能极大提高认知无线传感网的能效或降低包传输失败率。第四,针对分级下的从用户的被动频谱切换过程进行了建模与分析,求得了多重频谱切换延时解析表达式。根据认知无线网络中从用户通信业务对延时需求的不同,把从用户划分为两类,分别叫做SU1和SU2。利用马尔科夫过程对这两种不同级别的从用户的多重被动频谱切换过程进行建模,并在两信道例子中使用了带有优先权的M/M/2排队理论进行分析,得到了分级从用户下的多重累积切换延时解析表达式。数值结果给出了两类从用户的允许接入区域。第五,针对主动频谱切换模式下的分级从用户,提出了一种自适应的目标信道选择策略。在交织频谱接入模式下,基于预判决频谱切换机制,用带有优先权的M/G/1排队对分级下的从用户多重频谱切换过程进行建模。分别求得了两种不同的信道选择策略(“总是保持”和“总是转换”)下的平均累积切换延时的解析表达式,进而以延时最小为目标提出了分级下的从用户的最优目标信道选择策略。结果表明,在主用户信道使用概率较小的时候采用“总是保持”和在主用户信道使用概率较大时采用“总是转换”的频谱接入策略将能明显减少两类从用户的累积切换延时。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN925

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