認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻譜接入策略及性能分析.pdf

1、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)通過(guò)讓從用戶(hù)在不干擾已有授權(quán)用戶(hù)的前提下，伺機(jī)使用時(shí)間或空間上空閑的頻譜，來(lái)大幅提高頻譜利用率，從而緩解頻譜資源匱乏的問(wèn)題。而動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是提高從用戶(hù)性能，保證主用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的有效手段?？紤]到認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，由于受多重跨層因素、用戶(hù)的移動(dòng)特性以及用戶(hù)的類(lèi)型等因素的影響，使得網(wǎng)絡(luò)的建模以及性能分析面臨很大的挑戰(zhàn)，并且在這些實(shí)際網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，如何尋求更合理高效的頻譜接入策略

2、，這成為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入研究所面臨的重要問(wèn)題。本學(xué)位論文正是基于以上問(wèn)題，考慮了多種認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，首先對(duì)這些場(chǎng)景進(jìn)行建模和性能分析，然后對(duì)各種場(chǎng)景下的頻譜接入策略進(jìn)行了深入研究。主要包括:多信道跨層因素下的從用戶(hù)性能分析及頻譜接入策略研究;移動(dòng)場(chǎng)景下從用戶(hù)的空-時(shí)頻譜接入機(jī)會(huì)分析及接入策略設(shè)計(jì);認(rèn)知傳感網(wǎng)中的自適應(yīng)頻譜接入方法研究;分級(jí)從用戶(hù)的被動(dòng)頻譜切換延時(shí)分析和主動(dòng)頻譜切換下的信道選擇方法研究。
　　論文首先針對(duì)

3、多重跨層因素影響下的多信道認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，提出了從用戶(hù)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)最小的頻譜接入策略。在交織頻譜接入模式下，綜合考慮了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、MAC層等多重跨層因素對(duì)從用戶(hù)數(shù)據(jù)包傳輸成功率、延時(shí)等性能的影響，并把這些因素整合進(jìn)M/M/1/K排隊(duì)模型，推導(dǎo)了從用戶(hù)的數(shù)據(jù)包平均延時(shí)以及丟包率。最后通過(guò)改進(jìn)的遺傳算法對(duì)以延時(shí)最小化為目標(biāo)的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解，得到了多信道下從用戶(hù)的最優(yōu)頻譜接入向量。數(shù)值仿真結(jié)果證明了所提接入策略在延時(shí)上優(yōu)于等概率

4、、反比例以及隨機(jī)接入策略;并表明了在這些跨層因素中，ARQ最大重傳次數(shù)和從用戶(hù)緩存容量對(duì)延時(shí)或數(shù)據(jù)包丟失率的影響是相矛盾的，設(shè)計(jì)時(shí)需要做出平衡。
　　其次，針對(duì)從用戶(hù)移動(dòng)場(chǎng)景下的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，提出了從用戶(hù)頻譜接入機(jī)會(huì)最大化下的多信道頻譜接入策略。由于用戶(hù)的移動(dòng)性，頻譜空洞不僅表現(xiàn)在時(shí)間維度上，也表現(xiàn)在空間維度上。利用泊松點(diǎn)過(guò)程分別對(duì)從用戶(hù)在主用戶(hù)保護(hù)區(qū)域內(nèi)外兩種頻譜利用情況進(jìn)行建模，推導(dǎo)出了一定區(qū)域內(nèi)從用戶(hù)空-時(shí)二維頻譜接入機(jī)會(huì)解析表

5、達(dá)式。通過(guò)最大化空-時(shí)頻譜接入機(jī)會(huì)求得了主用戶(hù)最優(yōu)保護(hù)距離的解析式。在最優(yōu)保護(hù)距離下推導(dǎo)了Nakagami信道下的從用戶(hù)吞吐量，并通過(guò)最大化吞吐量找到了從用戶(hù)的最優(yōu)頻譜接入策略。仿真結(jié)果表明在所提頻譜接入策略下，從用戶(hù)密度小時(shí)的平均吞吐量明顯高于其它頻譜接入策略，但當(dāng)從用戶(hù)密度遠(yuǎn)高于信道數(shù)時(shí)，吞吐量的提升并不明顯。
　　第三，針對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)，提出了基于從用戶(hù)節(jié)點(diǎn)密度的自適應(yīng)頻譜接入策略。根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限和隨機(jī)休眠機(jī)

6、制的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸需求下，為一個(gè)事件發(fā)生區(qū)域內(nèi)的能量受限節(jié)點(diǎn)的收發(fā)過(guò)程進(jìn)行建模，分別在不同的節(jié)點(diǎn)密度下分析了一個(gè)信道轉(zhuǎn)換間隔內(nèi)襯底和交織兩種頻譜接入機(jī)制下的能效和數(shù)據(jù)包傳輸失敗率。利用兩個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)包含能效和包傳輸失敗率的綜合效用指標(biāo)。并通過(guò)最大化認(rèn)知傳感網(wǎng)的效用指標(biāo)，提出了一種節(jié)點(diǎn)密度自適應(yīng)的頻譜接入策略，該策略要求節(jié)點(diǎn)密度小時(shí)采用交織頻譜接入模式，密度大時(shí)采用襯底頻譜接入模式。數(shù)值仿真結(jié)果證實(shí)了實(shí)現(xiàn)兩種頻譜接

7、入機(jī)制轉(zhuǎn)換的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密度門(mén)限存在，并證明所提自適應(yīng)策略能極大提高認(rèn)知無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的能效或降低包傳輸失敗率。
　　第四，針對(duì)分級(jí)下的從用戶(hù)的被動(dòng)頻譜切換過(guò)程進(jìn)行了建模與分析，求得了多重頻譜切換延時(shí)解析表達(dá)式。根據(jù)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中從用戶(hù)通信業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)需求的不同，把從用戶(hù)劃分為兩類(lèi)，分別叫做SU1和SU2。利用馬爾科夫過(guò)程對(duì)這兩種不同級(jí)別的從用戶(hù)的多重被動(dòng)頻譜切換過(guò)程進(jìn)行建模，并在兩信道例子中使用了帶有優(yōu)先權(quán)的M/M/2排隊(duì)理論進(jìn)行分析，

8、得到了分級(jí)從用戶(hù)下的多重累積切換延時(shí)解析表達(dá)式。數(shù)值結(jié)果給出了兩類(lèi)從用戶(hù)的允許接入?yún)^(qū)域。
　　第五，針對(duì)主動(dòng)頻譜切換模式下的分級(jí)從用戶(hù)，提出了一種自適應(yīng)的目標(biāo)信道選擇策略。在交織頻譜接入模式下，基于預(yù)判決頻譜切換機(jī)制，用帶有優(yōu)先權(quán)的M/G/1排隊(duì)對(duì)分級(jí)下的從用戶(hù)多重頻譜切換過(guò)程進(jìn)行建模。分別求得了兩種不同的信道選擇策略（“總是保持”和“總是轉(zhuǎn)換”）下的平均累積切換延時(shí)的解析表達(dá)式，進(jìn)而以延時(shí)最小為目標(biāo)提出了分級(jí)下的從用戶(hù)的最優(yōu)目標(biāo)