基于頻譜感知的跨層機(jī)會(huì)認(rèn)知路由決策研究.pdf

1、本文基于目前無線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源緊缺和利用率低下的現(xiàn)狀，針對(duì)認(rèn)知無線自組網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜電磁環(huán)境及相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，考慮認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)可用頻譜的高動(dòng)態(tài)特性，以跨層協(xié)同思想為指導(dǎo)，將信道選擇策略與路由選擇技術(shù)相結(jié)合，將物理層的頻譜感知技術(shù)、MAC層的調(diào)度機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)相聯(lián)合進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)及優(yōu)化，提出了基于雙次協(xié)同頻譜感知的機(jī)會(huì)認(rèn)知路由策略以提高認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜的使用效率和可靠高效的傳輸能力。理論分析和仿真結(jié)果表明本文所提出的方案能夠有效提高認(rèn)知無線

2、自組織網(wǎng)絡(luò)端到端的服務(wù)質(zhì)量和頻譜利用率。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、裴槍?duì)無線電磁環(huán)境非常惡劣的認(rèn)知Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，提出雙次協(xié)同頻譜感知模型（Dual Collaborative Spectrum Sensing，DCSS）和適應(yīng)此新模型動(dòng)態(tài)變化特性的動(dòng)態(tài)可變時(shí)分多址接入（Dynamic and Variable Time-Division Multiple-Access，DV-TDMA）調(diào)度機(jī)制以進(jìn)行跨層協(xié)作；推導(dǎo)出了平均感知時(shí)

3、間的閉合表達(dá)式，給出了微時(shí)隙長(zhǎng)度的臨界范圍，提出了平均感知時(shí)間的優(yōu)化算法，并通過理論分析和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，相比于單次協(xié)同感知方法，在保證平均感知錯(cuò)誤率小于1％的條件下，所提協(xié)同感知方法及其優(yōu)化算法可有效縮短頻譜感知時(shí)間約11.5%。
　　⑵針對(duì)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)同的開放性問題，研究了機(jī)會(huì)頻譜接入的跨層優(yōu)化算法。結(jié)合應(yīng)用層的QoS需求，給出了物理層雙次協(xié)同頻譜感知方法和媒體訪問控制子層的DV-TDMA感知調(diào)度機(jī)制跨層協(xié)作的多

4、目標(biāo)優(yōu)化算法，以提高受限于陰影衰落和或隱藏終端的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知的準(zhǔn)確度、時(shí)效性和通信吞吐量，并給出能量檢測(cè)閾值和可實(shí)現(xiàn)吞吐量的優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，所提算法在保證網(wǎng)絡(luò)平均檢測(cè)錯(cuò)誤率小于1%的條件下，通過聯(lián)合優(yōu)化選擇分散在物理層和媒體訪問控制子層的特性參數(shù)，如能量檢測(cè)閾值、參與協(xié)同認(rèn)知用戶數(shù)和時(shí)隙長(zhǎng)度等，相比于沒優(yōu)化的雙次協(xié)同感知方案和單次協(xié)同感知方案，可獲得較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　?、轻槍?duì)多信道多跳認(rèn)知無線Ad hoc自組織

5、網(wǎng)絡(luò)中路由的不穩(wěn)定性問題，對(duì)認(rèn)知路由技術(shù)和協(xié)同頻譜感知技術(shù)的跨層設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。考慮到認(rèn)知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中頻譜的高動(dòng)態(tài)性以及陰影衰落和隱藏終端等射頻環(huán)境問題，將物理層的頻譜感知技術(shù)和媒體訪問控制子層的調(diào)度機(jī)制緊密融合到網(wǎng)絡(luò)層的路由決策中，提出了基于雙次協(xié)同頻譜感知的認(rèn)知機(jī)會(huì)路由協(xié)議（Dual Collaborative Spectrum Sensing Opportunistic Cognitive Routing，DCSS-OC

6、R），對(duì)路由發(fā)現(xiàn)和路由選擇策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)，旨在提高認(rèn)知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由發(fā)現(xiàn)和建立的機(jī)會(huì)。首先，構(gòu)建了基于DCSS頻譜感知理論的路由發(fā)現(xiàn)模型，聯(lián)合考慮了頻譜感知準(zhǔn)確性、鏈路可用性和最短路徑因素建立認(rèn)知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)空間上可達(dá)、頻域上連通的有效路由；其次，提出下一跳前傳節(jié)點(diǎn)，最優(yōu)信道和路徑的選擇方法，以滿足認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)路由穩(wěn)定性目標(biāo)；最后，給出評(píng)估路由路徑質(zhì)量的有關(guān)度量數(shù)學(xué)閉合表達(dá)式，如鏈路可用性概率、路徑接入概率，期望鏈路平

7、均傳輸延遲和端到端平均傳輸延遲，并給出相關(guān)推導(dǎo)證明。
　　⑷依據(jù)DCSS-OCR路由決策的有關(guān)度量，對(duì)多信道多跳認(rèn)知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由性能從準(zhǔn)確性和最優(yōu)性角度進(jìn)行仿真分析和評(píng)估，并提出路由度量的優(yōu)化方案。首先，利用數(shù)值分析方法和Monte Carlo仿真驗(yàn)證了鏈路接入機(jī)會(huì)，鏈路平均傳輸延遲和路徑平均傳輸延遲表達(dá)式的正確性；其次，仿真分析了主用戶活動(dòng)對(duì)路由接入機(jī)會(huì)、中斷概率和平均傳輸延遲的影響，仿真結(jié)果表明，本文所提 DCSS