認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中基于多維頻譜空穴的頻譜共享研究.pdf

1、在靜態(tài)頻譜分配機(jī)制下,隨著無線業(yè)務(wù)需求的不斷增長,頻譜資源日趨緊缺。而同時,無線業(yè)務(wù)的統(tǒng)計分布不均衡導(dǎo)致現(xiàn)有的授權(quán)系統(tǒng)中頻譜利用率低下。動態(tài)頻譜共享是提高頻譜利用率、緩解頻譜緊缺的有效手段。認(rèn)知無線電的提出為該解決手段提供了有力的技術(shù)支撐。其基本思想是非授權(quán)用戶(認(rèn)知用戶)通過對環(huán)境感知,在不對授權(quán)用戶造成有害影響的前提下機(jī)會式地接入授權(quán)頻譜的“頻譜空穴”(即暫未被授權(quán)用戶使用的頻譜資源),從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜共享達(dá)到提高頻譜利用率、緩解頻

2、譜資源緊缺的目的。
　　在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,需要在不對授權(quán)用戶造成有害影響的前提下,通過對頻譜空穴的挖掘以及頻譜空穴的利用實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜共享。本文針對動態(tài)頻譜共享中的接入機(jī)制、資源分配及傳輸策略進(jìn)行深入研究。根據(jù)頻譜資源的多維空間映射,對頻譜空穴的時、空、頻特性進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上,針對時域頻譜共享認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的接入機(jī)制以及資源分配問題進(jìn)行了分析與優(yōu)化,以期提升時域頻譜空穴的有效利用率,緩解目前頻譜資源匱乏的問題;同時,針對聯(lián)合

3、空-時(空域與時域)頻譜共享進(jìn)行研究,對最佳的頻譜感知策略進(jìn)行研究并提出基于聯(lián)合空-時頻譜共享的合作中繼傳輸機(jī)制以期提高頻譜利用率以及頻譜空穴的有效利用率。本文所涉及的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)在時域頻譜共享認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,傳統(tǒng)的搶占式頻譜接入機(jī)制下認(rèn)知用戶會由于授權(quán)用戶的到達(dá)產(chǎn)生強(qiáng)制中斷,由此產(chǎn)生的分組包丟包以及重傳將會造成資源(功率以及頻譜)的浪費(fèi)。為了提高頻譜資源的有效利用率,針對認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)平均服務(wù)時間遠(yuǎn)小于授權(quán)用

4、戶的業(yè)務(wù)平均服務(wù)時間的情況,提出了基于協(xié)商的非搶占式頻譜接入機(jī)制。在該機(jī)制中,認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過頻譜代理與授權(quán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)商,保障認(rèn)知用戶的傳輸不會發(fā)生中斷,從而提高了傳輸?shù)挠行浴２捎门抨?duì)論將非搶占式以及傳統(tǒng)的搶占式頻譜接入機(jī)制下的頻譜共享建模為多維Markov鏈,并利用分解方法對頻譜共享Markov模型進(jìn)行簡化并得出狀態(tài)穩(wěn)態(tài)概率近似解的閉合表達(dá)式。通過對系統(tǒng)性能指標(biāo)分析比較,可以得到基于協(xié)商的非搶占式頻譜接入機(jī)制可以在不對授權(quán)用戶Qo

5、S造成有害影響的情況下通過降低認(rèn)知用戶的強(qiáng)制中斷概率提高了頻譜空穴的有效利用率。
　　(2)為了保障多用戶異構(gòu)無線業(yè)務(wù)在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸,提出了基于用戶QoS需求的跨層聯(lián)合資源分配算法。根據(jù)實(shí)時業(yè)務(wù)的延時敏感特性,設(shè)計了基于用戶QoS需求以及授權(quán)用戶鄰信道干擾限制的動態(tài)優(yōu)先級因子。建立了資源分配的優(yōu)先級因子加權(quán)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),并相應(yīng)的給出了比特加載的低復(fù)雜度次優(yōu)算法。該資源分配算法對PHY以及MAC層進(jìn)行了聯(lián)合跨層設(shè)計,充

6、分考慮了認(rèn)知用戶的信道特性、隊(duì)列狀態(tài)以及業(yè)務(wù)需求。本文提出的資源分配算法在滿足授權(quán)用戶鄰信道干擾限制以及實(shí)時業(yè)務(wù)QoS需求的情況下,提高了認(rèn)知無線電系統(tǒng)性能從而提高了頻譜空穴的有效利用率。
　　(3)針對可用頻譜空穴的進(jìn)一步挖掘,通過對聯(lián)合空-時頻譜共享認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)性能分析,提出了授權(quán)用戶干擾限制條件下的最佳頻譜感知時間以及聯(lián)合空-時頻譜共享的接入機(jī)制。根據(jù)認(rèn)知用戶頻譜共享中對授權(quán)用戶干擾的模型建立,明晰了授權(quán)用戶干擾限制下空域

7、頻譜空穴與時域頻譜感知性能的關(guān)系,并提出了聯(lián)合空-時頻譜共享的空域頻譜感知機(jī)制。在分別給定檢測概率與虛警概率的情況下,時域頻譜感知時間與認(rèn)知無線電系統(tǒng)平均吞吐量存在折中關(guān)系。通過建立最大化認(rèn)知無線電系統(tǒng)平均吞吐量的目標(biāo)函數(shù),得到最佳頻譜感知時間與相應(yīng)的聯(lián)合空-時頻譜空穴,為聯(lián)合空-時頻譜共享提供了接入依據(jù)。
　　(4)為了充分利用聯(lián)合空-時頻譜空穴、進(jìn)一步提高頻譜利用率,提出了基于聯(lián)合空-時頻譜共享的合作中繼傳輸機(jī)制。認(rèn)知用戶利用