基于排隊論的認(rèn)知無線電MAC層算法研究.pdf

1、雖然日益緊缺的頻譜資源已成為無線通信產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的瓶頸，然而大量的實驗表明，現(xiàn)有的固定分配頻譜資源空間和時間下閑置現(xiàn)象卻普遍存在，導(dǎo)致總體利用率低下。在這種情況下，主張動態(tài)利用頻譜的認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運而生。其具有的主動感知無線通信環(huán)境、實時自適應(yīng)改變系統(tǒng)工作參數(shù)及動態(tài)檢測和機會利用空閑頻譜的特性，使重新分配利用擁擠的頻譜資源成為可能。
　　認(rèn)知無線電用戶能夠機會地利用未被授權(quán)用戶占用的頻譜，并在授權(quán)用戶出現(xiàn)時及時退出傳輸，從而實現(xiàn)

2、與授權(quán)用戶共享資源的目的。與此同時，授權(quán)用戶的存在為傳統(tǒng)通信的排隊論問題引入了新的挑戰(zhàn)：（1）不同優(yōu)先級用戶排隊服務(wù)問題；（2）可用頻譜資源隨時間變化導(dǎo)致的頻譜分配管理問題。
　　排隊論是一種研究隨機服務(wù)系統(tǒng)工作的數(shù)學(xué)理論，它為分析認(rèn)知系統(tǒng)性能指標(biāo)（等待時間、排隊長度及擁塞程度等）和設(shè)計改善服務(wù)質(zhì)量的機制提供了強有力的分析工具。本論文正是針對認(rèn)知無線電這一新背景下的挑戰(zhàn)，基于排隊論，在MAC層著眼于分析授權(quán)用戶行為的統(tǒng)計特性對認(rèn)知

3、服務(wù)系統(tǒng)造成的影響，研究并設(shè)計優(yōu)化機制以期改善認(rèn)知無線電系統(tǒng)的服務(wù)性能。主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，對認(rèn)知無線電MAC層頻譜感知優(yōu)化問題進行了研究。具體包括：
　?。?）利用更新理論對授權(quán)用戶行為規(guī)律建模，建立了頻譜感知周期優(yōu)化問題，尋找令頻譜機會利用率最大的最優(yōu)感知周期；并引入授權(quán)用戶受到干擾的概率作為約束條件，以授權(quán)用戶服務(wù)時長為指數(shù)分布作為范例，分別在理想感知和非理想感知條件下，分析最優(yōu)化感知周期與授權(quán)用戶行為統(tǒng)計特

4、性及感知差錯率間的關(guān)系。
　?。?）提出了一種基于信道短時特性的主動感知機制，并比較被動和主動感知機制下的搜索延時及能量開銷性能；定義能量效率為效用函數(shù)，認(rèn)知用戶通過比較效用函數(shù)大小，自適應(yīng)地選擇能量效率更優(yōu)的感知機制。
　　其次，研究了非延時敏感系統(tǒng)中的認(rèn)知接入控制問題：
　?。?）分析了在占先重返模式下，由于存在授權(quán)用戶的影響，認(rèn)知用戶從進入系統(tǒng)到服務(wù)完成的全程時間的概率分布服從二維分布，為簡化運算，提出了一種一維

5、的非占先模型對其近似等效。仿真與數(shù)值結(jié)果驗證了簡化模型與二維分布的吻合度較高。
　?。?）提出了一種基于收益的階梯排隊接入策略。認(rèn)知用戶通過接入信道完成服務(wù)可獲得相應(yīng)收益，但排隊等候的延時會使收入減??；論文中提出的機制令認(rèn)知用戶估計預(yù)期收益，選擇收益最大的信道進行接入；進而推導(dǎo)得到認(rèn)知系統(tǒng)用戶容量，認(rèn)知系統(tǒng)不允許超過用戶容量的用戶接入；最后與現(xiàn)有多個接入機制比較阻塞率和通信中斷率性能，仿真結(jié)果證明階梯排隊機制能通過調(diào)整系統(tǒng)隊列系數(shù)

6、動態(tài)地實施呼叫接入控制，使通信中斷率在授權(quán)用戶活動強度增大時依然保持較低水平。
　　最后，研究了延時敏感系統(tǒng)中的頻譜切換問題：
　?。?）定義了頻譜切換的兩種模式：頻譜重返和頻譜轉(zhuǎn)移，它們分別對應(yīng)不同的開銷；為了降低認(rèn)知用戶整體頻譜切換開銷，提出了一種虛擬排隊機制實施對認(rèn)知頻譜切換時序的控制，該機制使認(rèn)知用戶優(yōu)先選擇重返來完成頻譜切換請求，數(shù)值分析與仿真結(jié)果均證明與先入先出機制相比，虛擬排隊能夠顯著降低系統(tǒng)平均切換開銷。

7、r>　?。?）利用分段近似方法給出了虛擬排隊機制下的切換延時分布，并推導(dǎo)出相應(yīng)的切換超時概率與通信中斷率性能指標(biāo)；為保證服務(wù)質(zhì)量通信中斷率限制，定義了用戶容量作為呼叫接入控制準(zhǔn)則；仿真結(jié)果證明分段近似方法下得出通信中斷率和用戶容量與仿真值吻合很好，基于用戶容量的呼叫接入控制能夠有效保證系統(tǒng)通信中斷率要求。
　　論文分析并研究了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中授權(quán)用戶統(tǒng)計特性對認(rèn)知用戶行為各個方面的影響，提出了基于排隊論的多個MAC層優(yōu)化機制，豐富