認(rèn)知無(wú)線電中基于海量頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘的動(dòng)態(tài)頻譜接入策略研究.pdf

1、近些年來(lái)，隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展，無(wú)線頻譜資源的需求量正在急劇增加，使得國(guó)家已將其與土地、礦山、森林等列為同等重要的資源。特別是對(duì)于當(dāng)前業(yè)界熱點(diǎn)“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展，其未來(lái)將應(yīng)用于無(wú)法準(zhǔn)確估量的行業(yè)和場(chǎng)景，必然將產(chǎn)生海量終端，形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人與人之間通信互聯(lián)的移動(dòng)通信與無(wú)線接入的數(shù)據(jù)量，到那時(shí)，頻譜資源的短缺將成為物聯(lián)網(wǎng)難以克服的瓶頸。在頻譜資源日益匱乏的今天，任何無(wú)線技術(shù)的演進(jìn)與頻譜的合理利用之間都存在著密切的關(guān)系，得到充足頻譜資源的技術(shù)才

2、會(huì)迅速發(fā)展，反之則會(huì)漸漸退出歷史舞臺(tái)。為了有效克服現(xiàn)今存在的可用頻譜有限性與頻譜資源利用的低效率之間的矛盾，迫切需要一種新的可以伺機(jī)利用空閑頻譜資源的通信方式，于是，基于認(rèn)知無(wú)線電的動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的概念就應(yīng)運(yùn)而生并成為未來(lái)無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，但其從概念到應(yīng)用尚面臨很多挑戰(zhàn)。
　　 本文通過(guò)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模的頻譜監(jiān)測(cè)工作，應(yīng)用海量頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)頻譜使用模型、頻譜的多維相關(guān)性、頻譜使用狀況的多維預(yù)測(cè)以及動(dòng)態(tài)頻譜接入策略優(yōu)

3、化等重點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)行了深入的研究，主要開(kāi)展的創(chuàng)新性工作如下：
　　 （1）通過(guò)選取合適的地點(diǎn)及測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的多地點(diǎn)并行的寬頻帶頻譜監(jiān)測(cè)工作
　　 進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜接入的目標(biāo)是在不干擾授權(quán)用戶的情況下充分利用無(wú)線頻譜資源，首先就需要對(duì)當(dāng)前無(wú)線頻譜的使用模式和規(guī)律做深入的分析，這是非授權(quán)用戶進(jìn)行信道估計(jì)，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜選擇的前提。前人進(jìn)行的頻譜測(cè)量，大多是要么單點(diǎn)測(cè)量、要么多點(diǎn)不同時(shí)測(cè)量、或者多點(diǎn)之間的位置選取不具有代表

4、性，并且測(cè)量結(jié)果的發(fā)布一般是以頻譜占用度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)論大多局限在授權(quán)頻段頻譜未被充分利用等，缺乏對(duì)頻譜數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和挖掘。本文進(jìn)行了多地點(diǎn)并行的寬帶頻譜監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)帶寬從20MHz-3GHz，并考慮了監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的選取。整個(gè)監(jiān)測(cè)工作連續(xù)持續(xù)了一周的時(shí)間，獲取了海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這為接下來(lái)的數(shù)據(jù)分析工作提供了基礎(chǔ)。
　　 （2）應(yīng)用回歸分析、相關(guān)性分析以及時(shí)間序列分析等理論對(duì)授權(quán)用戶信道模型以及頻譜使用規(guī)律進(jìn)行了深入的研究

5、>　　 對(duì)得到的海量頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的統(tǒng)計(jì)分析，提出了使用信道空閑時(shí)間（Channel Vacancy Duration，CVD）和業(yè)務(wù)擁塞率（Service Congestion Rate，SCR）進(jìn)行信道分析的方法，并研究了頻譜使用在時(shí)間、頻率和空間上的多維相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)了授權(quán)信道狀態(tài)和其歷史信息之間的關(guān)聯(lián)性，為授權(quán)用戶的信道估計(jì)、頻譜分析和動(dòng)態(tài)決策提供了科學(xué)的理論依據(jù)。
　　 （3）應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等理論，提出

6、了高效的適用于頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間-頻率維綜合預(yù)測(cè)算法，并應(yīng)用于無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)中的異?，F(xiàn)象檢測(cè)
　　 進(jìn)行了頻譜使用狀況的預(yù)測(cè)研究，并采用多種訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，用實(shí)測(cè)的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了全方位的性能（如預(yù)測(cè)正確率、預(yù)測(cè)丟失率等）分析，指出了最佳的訓(xùn)練序列長(zhǎng)度。其中部分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其正確率比較高，具有實(shí)際應(yīng)用的意義。此外，利用實(shí)測(cè)頻譜數(shù)據(jù)關(guān)于頻段間相關(guān)性的結(jié)論，提出了將馬氏距離應(yīng)用于無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)中異?，F(xiàn)象檢測(cè)的應(yīng)用中，并用實(shí)測(cè)

7、的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種基于馬氏距離、應(yīng)用時(shí)間和頻率維數(shù)據(jù)挖掘的異?，F(xiàn)象檢測(cè)方法能夠有效地檢測(cè)出不同與“常規(guī)”模型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使得頻譜管理工作者能夠更加敏銳地發(fā)現(xiàn)異常并做出提前處理，不失為
　　 （4）基于前面的研究成果，應(yīng)用最優(yōu)化理論，提出了時(shí)隙模式下多種動(dòng)態(tài)頻譜接入的優(yōu)化策略，并提出了信道可用性矢量的概念，將頻譜預(yù)測(cè)引入動(dòng)態(tài)接入策略的優(yōu)化
　　 對(duì)時(shí)隙模式下非授權(quán)用戶動(dòng)態(tài)頻譜接入策略的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了深

8、入的研究，旨在保證授權(quán)用戶的數(shù)據(jù)傳輸仍能正常工作的情況下盡力提升非授權(quán)用戶的傳輸性能。這里首先提出了旨在對(duì)傳統(tǒng)的LBT（Listen Before Talk）探測(cè)方式進(jìn)行改進(jìn)的最優(yōu)停止探測(cè)策略，它考慮了現(xiàn)有的信道探測(cè)技術(shù)在時(shí)間上的開(kāi)銷，通過(guò)根據(jù)當(dāng)前已獲得的傳輸速率選擇終止探測(cè)的最優(yōu)時(shí)機(jī)，使得非授權(quán)用戶在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)在期望上獲得最大的傳輸速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這一探測(cè)策略確實(shí)優(yōu)于傳統(tǒng)的LBT探測(cè)方式。然后，基于頻譜測(cè)量數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，利用真實(shí)的

9、無(wú)線頻譜在頻率維存在著較高的相關(guān)性這一結(jié)論，提出了頻率維預(yù)測(cè)的思想。通過(guò)信道可用性矢量這一概念，將頻率維預(yù)測(cè)的思想引入到非授權(quán)用戶傳輸性能的優(yōu)化這一問(wèn)題上，使得系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)，自適應(yīng)地做出信道探測(cè)的決策，從而優(yōu)化非授權(quán)用戶的傳輸速率。這里分別考慮非授權(quán)用戶為單信道傳輸和多信道傳輸?shù)那闆r。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種基于預(yù)測(cè)的信道探測(cè)策略進(jìn)一步提升了最優(yōu)停止策略的性能。此外，還研究了非授權(quán)用戶在傳輸過(guò)程中最優(yōu)的信道切換時(shí)機(jī)這一問(wèn)題，指出信道切換