认知无线电中频谱聚合技术及其资源调度的公平性研究

发布时间：2017-03-22 17:11

  本文关键词：认知无线电中频谱聚合技术及其资源调度的公平性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着无线通信技术的快速发展,有限的频谱资源成为无线通信技术发展的瓶颈问题。认知无线电作为一种智能无线电技术打破了这一瓶颈问题,它是解决现有频谱资源紧张的关键技术,经过十几年的发展,认知无线电技术日渐成熟,目前IEEE802.22工作组已将认知无线电技术作为无线区域网WRAN的物理层和MAC层空中接口的标准。频谱聚合技术于2006年首次提出,该技术提出以来受到广泛关注,其通过对空闲频谱碎片的合理利用为用户提供必要的业务支持。随着宽带无线通信的迅速崛起,现有的频段中很难找到满足IMT-A(International Mobile Telecommunications-Advanced)所要求的连续100MHz带宽,所以在LTE-A系统中开始研究一种特殊的频谱聚合技术,即载波聚合技术。载波聚合技术通过对多个基本载波的聚合使用,解决了LTE-A系统对频谱资源的需求。载波聚合只是频谱聚合的一种特例,实际上频谱聚合技术的应用非常广泛。在频谱聚合条件下,各个频段的间隔可能很大,频谱段之间存在其他通信系统的可能,因此频谱聚合要求聚合后的信号保证不对其他通信系统造成干扰。在认知无线电环境中,认知用户在不影响授权用户通信的情况下,可以机会式的占用授权用户的信道。值得指出的是,频谱聚合对系统间干扰的要求与认知无线电的特点不谋而合。因此本课题将认知无线电技术与频谱聚合技术相结合,在无线区域网的频谱范围内,利用认知无线电的认知能力,达到与电视广播业务共存的目的,从而在避免干扰的前提下,保证认知用户对宽带业务的需求,最大限度的提升频谱利用率。首先,本文针对短时间内一段频谱上授权用户工作频段比较固定的情况,提出了一种适用于认知无线电的静态频谱聚合算法。该算法以现有的两类频谱聚合算法为基础,一类是以接入空闲频段的认知用户个数为优化目标的算法,另一类是以频谱利用率为优化目标的算法。静态频谱聚合算法同时兼顾以上两类算法的优化目标,在确保频谱利用率的前提下,允许更多的认知用户接入空闲频谱。仿真结果表明,与另两种算法相比所提出的静态频谱聚合算法,在频谱跨度,空闲频段个数和子载波个数最大值变化的影响下,都能保证较高的频谱利用率,使接入空闲频谱的认知用户个数最大化。其次,当授权用户随机出现时,所提出的频谱聚合算法要考虑授权用户工作频段不固定带来的影响,即认知用户在聚合频谱的同时要涉及频谱切换的因素。所以本文针对无线区域网内授权用户工作频段随机的复杂情况,提出了一种频谱聚合中的混合式切换策略。根据对现有的认知无线电频谱切换的分析和总结,混合式切换策略吸取了主动式频谱切换策略和反应式频谱切换策略的优越性。本文结合频谱聚合对频谱资源的需求特征,建立了混合式切换策略的基本模型,同时归纳出具体的操作步骤。与主动式和反应式的切换策略相比,混合式切换策略实现了两者的切换延时和切换次数的折中。另外,该切换策略通过候选信道的建立使认知用户在发生切换时能立即寻找目标信道,进一步减少切换延时。对于每个认知用户来说,候选信道要根据切换概率大小来排序。每次切换发生时,认知用户都会选择切换概率最小的候选信道作为目标信道,以便减少二次切换的发生。这种优良的切换策略和机制对于研究复杂场景下频谱聚合的性能指标具有重要的意义。最后,本文针对频谱聚合中由于位置因素引发的认知用户对系统资源占用不公平的问题,提出一种频谱聚合中的位置比例公平调度算法。资源调度的公平性是保证认知用户频谱聚合公平性的前提。在单一基站下的认知用户对频谱资源的占用会因地理位置的变化而改变。离基站较近的位置,可用来聚合的频谱资源较多;处于基站频率覆盖边缘的位置,可用来聚合的频谱资源较少。本文在频谱聚合资源调度系统模型的基础上,建立了频谱聚合比例公平调度准则。通过对位置因素导致不公平现象的分析,引入位置权重因子的概念。在权重因子的调节下,认知用户间的优先级差别变小,从而使系统资源调度相对公平。仿真结果表明位置比例公平调度算法在可聚合频谱资源受限的区域使认知用户提高了优先级,从而解决了频谱聚合不公平的问题。
【关键词】：认知无线电 频谱聚合 频谱切换 公平性调度
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-32
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义14-18
• 1.1.1 研究背景14-17
• 1.1.2 研究的目的和意义17-18
• 1.2 认知无线电的国内外研究现状18-24
• 1.2.1 认知无线电概念18-20
• 1.2.2 国内外研究现状及分析20-24
• 1.3 频谱聚合的概念及研究现状24-29
• 1.3.1 频谱聚合的概念及意义24-25
• 1.3.2 频谱聚合的国外研究现状25-27
• 1.3.3 频谱聚合的国内研究现状27-29
• 1.4 论文主要内容及结构29-32
• 第2章 频谱聚合技术及其公平性理论研究32-53
• 2.1 引言32-33
• 2.2 频谱聚合方案研究33-35
• 2.2.1 频谱聚合分类33-34
• 2.2.2 组合优化简介34-35
• 2.3 认知无线电频谱切换研究35-42
• 2.3.1 频谱切换的意义36-37
• 2.3.2 频谱切换关键技术37-39
• 2.3.3 频谱切换基本模型39-41
• 2.3.4 频谱切换性能指标41-42
• 2.4 公平性调度研究42-52
• 2.4.1 资源调度的影响因素42-43
• 2.4.2 资源调度算法分类43-48
• 2.4.3 公平性调度准则48-50
• 2.4.4 公平性调度算法50-52
• 2.5 本章小结52-53
• 第3章 认知无线电中静态频谱聚合算法53-70
• 3.1 引言53-54
• 3.2 静态频谱聚合系统模型54-55
• 3.3 基于组合优化的频谱聚合算法研究55-59
• 3.3.1 静态频谱聚合算法的优化目标56-57
• 3.3.2 静态频谱聚合算法步骤57-59
• 3.4 仿真验证及性能分析59-69
• 3.4.1 静态频谱聚合算法性能仿真60-64
• 3.4.2 算法比较及分析64-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第4章 频谱聚合中混合式频谱切换策略70-99
• 4.1 引言70-71
• 4.2 频谱聚合中频谱切换系统模型71-72
• 4.3 频谱聚合中切换策略的分析72-82
• 4.3.1 主动式频谱切换72-74
• 4.3.2 反应式频谱切换74-76
• 4.3.3 频谱切换延时76-82
• 4.4 混合式切换策略的研究82-86
• 4.4.1 候选信道及切换概率82-83
• 4.4.2 混合式切换策略的建立83-86
• 4.5 仿真验证及性能分析86-98
• 4.5.1 混合式切换策略性能分析86-92
• 4.5.2 策略比较及性能分析92-98
• 4.6 本章小结98-99
• 第5章 频谱聚合中位置比例公平调度算法99-117
• 5.1 引言99-100
• 5.2 频谱聚合公平性调度系统模型100-102
• 5.3 频谱聚合比例公平调度准则102-105
• 5.3.1 认知用户公平性调度准则的建立102-104
• 5.3.2 认知用户到达概率及服务时间104-105
• 5.4 频谱聚合位置信息公平性研究105-110
• 5.4.1 认知用户位置信息及优先级106-108
• 5.4.2 位置比例公平调度算法步骤108-109
• 5.4.3 公平性调度评价指标109-110
• 5.5 仿真验证及性能分析110-116
• 5.5.1 认知用户的频谱聚合带宽110-113
• 5.5.2 Jain公平性指数113-114
• 5.5.3 带宽抖动指数114-116
• 5.6 本章小结116-117
• 结论117-119
• 参考文献119-131
• 攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果131-133
• 致谢133-134
• 个人简历134

  本文关键词：认知无线电中频谱聚合技术及其资源调度的公平性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：261927