認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源的分配日益緊張，使得新興無線設(shè)備無法獲得授權(quán)頻譜。另一方面，來自聯(lián)邦通信委員會(huì)頻譜策略任務(wù)組的研究報(bào)告表明：在絕大部分時(shí)間，授權(quán)頻譜的利用率低于10％。認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了上述頻譜資源的缺乏與利用率低的矛盾，它可以使未經(jīng)授權(quán)的無線通信設(shè)備主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和合理利用授權(quán)頻段的空閑頻譜資源。近年來，受市場(chǎng)的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)，對(duì)認(rèn)知無線電技術(shù)的研究逐漸升溫，并涉及到從物理層到網(wǎng)絡(luò)層等多個(gè)層面關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2、r>　　 本文針對(duì)認(rèn)知無線電間歇性連接、頻譜搶占性等缺陷，對(duì)媒體接入控制(Media Access Control，MAC)協(xié)議及路由協(xié)議展開深入研究，以最大化空閑頻譜資源的利用率，保證用戶的最佳體驗(yàn)。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)具有認(rèn)知無線電收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以自組織的形式組建而成的無線網(wǎng)絡(luò)。它與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別在于：傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)基于固定頻段通信，而認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)頻譜接入特性，網(wǎng)絡(luò)通信基于特定時(shí)間、區(qū)域、規(guī)則約束下的可用頻段集合。認(rèn)

3、知無線電網(wǎng)絡(luò)能夠從根本上改善無線頻譜資源利用不均勻的現(xiàn)狀，是未來無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，正逐漸通過標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。次用戶(非授權(quán)用戶)可用信道的差異性和動(dòng)態(tài)變化性使得認(rèn)知無線電的媒體接入控制層著重解決以下問題：當(dāng)次用戶欲與其鄰居節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，在沒有事先確定公共信道的情況下，它如何選擇信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)主用戶(授權(quán)用戶)返回時(shí)，次用戶如何快速有效地實(shí)現(xiàn)信道的退避和切換；而且現(xiàn)有的認(rèn)知MAC協(xié)議往往忽視了提高資源利用率以及間歇連接問題的

4、解決。本文針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)出新的協(xié)議，將次用戶分成組，信道以組為單位進(jìn)行分配，組內(nèi)成員采用一定的策略使用本組信道資源。另外，協(xié)議采用的中斷避免機(jī)制能有效地克服間歇連接問題，其主要思路是：當(dāng)某個(gè)組所使用的所有信道均讓出時(shí)，該組尋找一條干擾溫度低于閾值的“重疊”信道繼續(xù)通信。該協(xié)議的主要優(yōu)勢(shì)在于極大地提高系統(tǒng)資源的利用率，減輕間歇連接問題以及保證頻譜資源分配的公平性。
　　 認(rèn)知無線電頻譜訪問模型可分為公共模型(commons m

5、odel)和獨(dú)占模型(property-rights model)。使用獨(dú)占模型的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)顯示出光明的前景：一方面，主用戶愿意將空閑信道盡可能多地租給次用戶，以獲得高回報(bào)；另一方面，主用戶與次用戶協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)高效的頻譜利用。本文針對(duì)獨(dú)占模型的MAC協(xié)議展開深入的研究，提出一種相應(yīng)的拍賣算法，該拍賣算法分為兩個(gè)階段。在第一階段，保證將信道分配給盡可能多的次用戶(滿足用戶的最小帶寬需求)，而在第二階段保證空閑信道盡可能分配完

6、畢，提高資源利用率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的MAC協(xié)議在最大化主用戶收益的同時(shí)，能有效地利用頻譜資源，達(dá)到較高的系統(tǒng)效率和較低的帶寬浪費(fèi)率。
　　 相比傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)路由面臨許多新的挑戰(zhàn)。首先，由于無線頻譜的動(dòng)態(tài)感知和分割基于當(dāng)前頻譜的利用率，系統(tǒng)路由必須是頻譜自適應(yīng)的。其次，網(wǎng)絡(luò)高層需要重路由機(jī)制來應(yīng)對(duì)可用頻譜和干擾模式的動(dòng)態(tài)變化。最后，需要解決間歇連接問題引起的頻繁路由失效，增強(qiáng)路由的可靠性與穩(wěn)定

7、性。我們?cè)诒疚奶岢鲆环N按需多路徑的高可靠距離向量路由協(xié)議，該協(xié)議除了包括路由選擇，也考慮了信道的分配與調(diào)度。新協(xié)議背后的主要設(shè)計(jì)想是：當(dāng)次用戶正在使用的信道被剝奪時(shí)，系統(tǒng)能夠提供高效的容錯(cuò)和快速的恢復(fù)機(jī)制。為了達(dá)到該目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的協(xié)議從所有候選路徑中找出最穩(wěn)定者作為主路由，當(dāng)主路由失效時(shí)，使用替代路由(與主路由最大不相交的路由)來代替主路由繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。
　　 本文的研究成果形成了處理多數(shù)據(jù)流的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜管理與選路問題