認(rèn)知無(wú)線電動(dòng)態(tài)頻譜接入若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio,CR)也稱為感知無(wú)線電,是近幾年興起的無(wú)線通信新概念新技術(shù),它能夠?qū)崟r(shí)感知通信環(huán)境中所有的頻譜使用機(jī)會(huì),通過(guò)重組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架,使得認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有智能化辨識(shí)與改變頻譜使用機(jī)會(huì)的能力,試圖從本質(zhì)上解決無(wú)線通信的頻譜資源越來(lái)越緊缺的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外已有的研究成果表明,認(rèn)知無(wú)線電具備極高的頻譜使用效率,代表著未來(lái)的新發(fā)展,這在國(guó)際上已成為一項(xiàng)重要的研究課題。本學(xué)位論文重點(diǎn)研究了認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)

2、、媒體接入控制技術(shù)以及信道分配技術(shù)等。此外,還提出認(rèn)知無(wú)線電在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用構(gòu)想,研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集節(jié)能算法等。 論文共分為六章。 第1章綜述認(rèn)知無(wú)線電,并給出論文的研究背景、研究現(xiàn)狀、主要內(nèi)容及章節(jié)概要。 第2章研究認(rèn)知無(wú)線電最優(yōu)頻譜感知算法。本章基于對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)的分析,提出利用小波分析對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)進(jìn)行多尺度小波變換,然后利用Neyman-Pearson最優(yōu)判斷準(zhǔn)則對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)的出現(xiàn)進(jìn)行

3、判斷。在此基礎(chǔ)上,提出了感知算法的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出最優(yōu)感知器結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,單個(gè)最優(yōu)感知器不能滿足系統(tǒng)性能要求。為此進(jìn)一步提出了基于空間分集的最優(yōu)感知器結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明,該方法能抵抗多徑和陰影衰落的影響,而且當(dāng)系統(tǒng)的檢測(cè)概率給定某值(比如99.9％)時(shí),只要感知單元的參數(shù)與檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目合適,虛警概率就能小于某一容許的值,完全滿足系統(tǒng)的性能要求。 第3章研究認(rèn)知無(wú)線電媒體接入控制技術(shù)。在分析認(rèn)知用戶動(dòng)態(tài)接入授權(quán)頻帶的基礎(chǔ)上

4、,利用馬爾可夫理論,分別提出了沒(méi)有頻譜切換和具有頻譜切換的的認(rèn)知用戶接入授權(quán)頻帶的一般模型,推導(dǎo)和討論了這兩種情況下的幾個(gè)重要的系統(tǒng)參數(shù),包括被迫中斷概率、阻塞概率、頻譜利用率和系統(tǒng)吞吐量等；為了平衡被迫中斷概率和阻塞概率,提出了信道預(yù)留方案,通過(guò)馬爾可夫理論分析以及仿真,結(jié)果表明在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中采用這種方案,不僅可以平衡被迫中斷概率和阻塞概率以滿足系統(tǒng)的QoS要求,而且可以顯著提高認(rèn)知用戶的吞吐量。 第4章研究認(rèn)知無(wú)線電信道分

5、配技術(shù)。分析了認(rèn)知無(wú)線電的信道分配問(wèn)題是一個(gè)NP-Hard問(wèn)題,傳統(tǒng)算法的處理效果不佳,需要一種有效快速的算法,為此提出利用低復(fù)雜度的因子圖與和積算法理論對(duì)動(dòng)態(tài)資源進(jìn)行分配,該方法以最大化信道利用率為主要目標(biāo),同時(shí)也考慮干擾的最小化和接入的公平性,實(shí)際上這是一個(gè)求多變量最優(yōu)解的問(wèn)題。在這種算法中,首先用因子圖把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題分成幾個(gè)簡(jiǎn)單的局部問(wèn)題,對(duì)這些局部問(wèn)題同時(shí)進(jìn)行求解且通過(guò)信息傳遞來(lái)完成其相互作用,傳遞的信息表示了一個(gè)認(rèn)知用戶在某個(gè)

6、時(shí)隙分配某些頻譜資源的概率,然后用和積算法理論來(lái)完成概率的求解。通過(guò)信息不斷的傳遞即不斷的迭代,當(dāng)所有的約束條件都滿足時(shí),可以輸出一組接近最優(yōu)的解,即信道分配方案。數(shù)值分析結(jié)果表明,該信道分配算法具有頻譜利用率高、同時(shí)也體現(xiàn)了接入的公平性以及低復(fù)雜度等較好的性能。 第5章研究認(rèn)知無(wú)線電在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。首先提出認(rèn)知無(wú)線電在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用構(gòu)想。由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限,為了避免節(jié)點(diǎn)之間的通信沖突,提出利用認(rèn)知無(wú)線電的

7、概念選擇可利用的頻帶進(jìn)行通信以提高能量和頻譜的利用率,還將前述的動(dòng)態(tài)頻譜接入控制算法和動(dòng)態(tài)信道分配算法應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。然后研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集節(jié)能算法,以一組靜止的傳感器節(jié)點(diǎn)和基站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象,以最大化網(wǎng)絡(luò)生命為目的,提出一種新的分布式數(shù)據(jù)收集節(jié)能算法。該算法分為三部分：首先,提出Hausdorff分簇算法,該算法以Hausdorff距離作為分簇的量度,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置、通信的有效性和網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性將傳感器節(jié)點(diǎn)分成幾個(gè)