認知無線電網(wǎng)絡動態(tài)頻譜接入模型和方法研究.pdf

1、近年來，隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊張。尤其是各種無線接入技術(如無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線個人域網(wǎng)(WPAN)、無線城域網(wǎng)(WMAN))的逐漸商用，人們對無線帶寬提出了更高的要求。目前頻譜資源管理方式為固定頻譜分配方式，將無線頻譜劃分為兩個部分：授權頻段和非授權頻段。當前非授權頻段已趨飽和，但授權頻段頻譜利用率卻很低，在時間和空間上存在大量授權用戶并未占用的頻段(頻譜空穴)。為了解決這一矛盾，人們想到了改革當前的

2、固定頻譜分配方式，利用授權頻段的頻譜空穴提供無線服務。采用這一方式需要無線節(jié)點能夠感知周圍的無線環(huán)境，認知無線電(Cognitive Radio，CR)是解決這一問題的關鍵技術。
　　 本文所研究的CR網(wǎng)絡是指利用CR技術捕捉頻譜空穴，并提供給用戶接入的無線網(wǎng)絡。CR網(wǎng)絡與授權用戶網(wǎng)絡共享頻譜，但二者在使用頻譜上地位并不平等，從而造成CR網(wǎng)絡中頻譜資源、網(wǎng)絡拓撲的時變性，這就需要對CR網(wǎng)絡中可變的頻譜資源做有效地管理。
　

3、　 本論文以此為背景展開研究，著重研究了CR網(wǎng)絡中的動態(tài)拓撲模型和鏈路時變模型。另外，頻譜感知是共享頻譜資源的基礎，如何提高感知效率也是本文的一個研究重點。主要研究內容歸納如下：
　　 (1)介紹了動態(tài)頻譜接入(DSA，Dynamic Spectrum Access)和CR技術的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀、以及應用場合等方面。詳細地綜述了采用DSA方式的CR網(wǎng)絡在頻譜感知、頻譜管理、頻譜轉移和頻譜共享等方面的國內外研究現(xiàn)狀，對其進行了系統(tǒng)

4、地分類，并分析了它們的研究難點和研究方向。
　　 (2)研究了CR網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲模型，提出了動態(tài)分層圖(DLG，DynamicLayered-Graph)模型來描述CR網(wǎng)絡由于時變的可用頻譜而導致的網(wǎng)絡拓撲的時變性。在DLG模型中，層對應于信道；各個節(jié)點在某層中的子節(jié)點狀態(tài)對應于該信道在該節(jié)點上的可用性。子節(jié)點的狀態(tài)根據(jù)一個鏈路時變模型變化。仿真實驗表明，DLG模型能有效地描述CR網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化，提高路由成功率。
　　

5、 (3)應用DLG模型作為CR網(wǎng)絡的路由分析工具，研究了一種CR網(wǎng)絡中的跨層路由選擇算法。該算法是頻譜決策、接口分配、路由發(fā)現(xiàn)和DLG更新的一體化算法。通過動態(tài)更新DLG的水平邊和垂直邊權值，配合基于流的接口分配算法，使得路由選擇算法合理地選擇鏈路、頻譜和接口，提高路由中節(jié)點的全雙工通信能力和負載均衡能力，同時減少接口在不同信道間的切換。
　　 (4)深入地研究了CR網(wǎng)絡的鏈路可用性變化規(guī)律，提出了一種半馬爾科夫鏈和馬爾科夫鏈

6、嵌套的鏈路時變模型。該模型采用改進的LZ78算法學習半馬爾科夫鏈和馬爾科夫鏈的參數(shù)，并能根據(jù)新的感知數(shù)據(jù)實時更新模型參數(shù)。
　　 (5)基于CR網(wǎng)絡的鏈路時變模型，研究了一種基于高階馬爾科夫模型的頻譜可用性預測算法。該算法可以充分利用歷史感知信息，并引入當前狀態(tài)年齡為預測依據(jù)，以很小的運算代價提供可靠地短期與長期預測。仿真實驗表明在各種不同的分布條件下該算法都表現(xiàn)出較好的性能。
　　 (6)選擇合適的頻譜空穴供CR用戶接

7、入對于保障CR用戶的QOS請求有著重要意義。研究了在CR網(wǎng)絡中提供QoS保障的頻譜決策算法，該算法不預定頻譜空穴的時長分布，而是利用CR網(wǎng)絡的鏈路時變模型學習該分布，并以頻譜可用性預測算法為基礎，綜合考慮CR用戶的通信請求時長和發(fā)起通信的時刻的頻譜空穴年齡，為CR用戶提供在通信請求時間內不發(fā)生頻譜轉移概率意義上的QoS保障。
　　 (7)提出了一種自適應的頻譜感知策略，將感知時間劃分為較短的感知時隙，每進行一個感知時隙的感知后，