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认知无线电中频谱感知优化与无线资源管理的研究

杜红  
【摘要】:随着无线通信技术的不断发展,现有的频谱资源已变得越来越拥挤。然而,研究测试报告却表明,实际上现有授权用户对其频谱的利用并不充分,存在着大量的频谱空穴。因此,对频谱资源进行充分利用从而实现频谱共享,成为解决现有频谱资源问题的关键。 认知无线电技术,能够充分利用空闲的频谱资源,有效解决传统的固定频谱分配政策导致的频谱没有充分利用问题。具有认知功能的未授权次级用户感知周围频谱环境并发现空闲频谱,以机会式接入的方式使用主用户的频段。认知无线电是目前学术界、工业界公认的解决频谱资源使用矛盾的主要途径。 本文主要围绕“认知无线电中频谱感知和资源分配管理”两个方面展开探讨,分别对不同认知网络结构、频谱感知机制的性能指标折中、物理层的安全威胁攻击、以及无线资源分配管理方面,进行算法研究、理论分析和仿真实验,解决了认知无线网络中频谱资源的发现和利用过程存在的问题。本文从传统单一认知网络结构的协作检测,到混合认知无线网络中协作频谱检测的研究(针对该混合网络结构,提出双信息融合协作感知算法);接着研究频谱检测机制中可靠性和有效性的折中方案(提出干扰冲突概率与传输时间之间的权衡方案);然后再从理想状态的无线环境升级到考虑有恶意用户带来安全威胁攻击的防御措施(针对虚假感知信息攻击,讨论不同协作检测性能的影响以及提出消除攻击影响的防御算法);最后考虑了频谱检测错误对资源分配的影响,提出基于干扰限制的满足不同认知用户业务需求的资源分配策略。 本文主要研究工作和贡献如下: 1、提出一种混合认知网络结构下双信息融合的协作检测算法 由于认知用户与授权用户间缺乏信息交互,且认知用户的频谱感知通常是在低信噪比情况下完成的,感知环境通常受多径、阴影衰落和隐藏终端问题的影响。因此,为了获得更为准确的感知信息,可采用多用户协作感知技术。不同于现有基于单一认知网络结构的协作频谱检测的研究,考虑了实际无线环境中存在的混合认知无线网络结构,提出一种双信息融合的协作频谱感知算法,该双融合算法使认知小区内的用户之间采用等增益合并、各认知基站间采用硬合并的方案,通过理论分析,推导出所提方案下的协作检测性能。然后以虚警概率为限制约束条件、最大化检测概率为目标,寻找最佳参与协作频谱感知的认知用户数和认知基站数。最后通过仿真验证方案的可行性,仿真结果表明,同传统协作检测方案相比,该方案在低信噪比环境下,仍可获得较为准确的检测性能。通过优化参与协作检测的节点数,可以减小频谱检测的开销,降低算法的计算复杂度。 2、提出频谱检测机制中数据传输与干扰冲突的折中算法 合理有效的频谱检测机制是影响频谱利用率和检测性能的一个因素。因此,在频谱检测机制中,研究频谱检测的有效性和可靠性的折中问题是必要的。不同于现有研究的感知时间和吞吐量指标折中,考虑以数据传输时间为有效性指标,干扰冲突概率为可靠性指标,研究两个指标之间的权衡方案。该方案考虑了认知用户的业务,推导了不同情况下产生的干扰冲突概率。从保护授权用户的角度出发,引入了对认知用户QoS的保证,使认知用户满足自身通信需求,最小化认知用户带来的干扰冲突概率。最后通过仿真验证方案的可靠性和合理性。仿真结果表明,所提出的方案在保证认知用户QOS的基础上,在一定程度上降低了对授权用户造成的干扰冲突。 3、提出剔除恶意用户的防御虚假感知信息攻击的方案 考虑认知无线电网络中物理层的安全威胁,研究了恶意用户的虚假感知信息攻击对协作频谱检测性能的影响。首先在理想状态环境下,提出了基于检测可靠性的协作频谱感知方案,该方案考虑了认知用户所处信噪比环境的不同,研究了基于信噪比判断的协作检测策略,该方案同传统的协作检测算法相比,具有较高的检测性能。然后考虑了恶意用户始终发送授权用户存在或者不存在的信息、以及始终发送与真实信息相反的攻击场景,分析并推导了恶意用户在不同攻击场景下,采用硬合并规则的协作检测性能。最后提出了基于信誉判断剔除恶意用户的防御攻击策略,通过对各用户信誉值的计算和不断更新,剔除信誉值较低的恶意用户,对其它可信用户进行协作感知,获得最终检测性能,避免恶意用户带来的影响。仿真结果表明,对于所提出的防御攻击策略,一方面降低了算法的复杂度和计算量,另一方面提高了协作检测的准确度。 4、提出基于干扰限制考虑不完美频谱感知的资源分配机制 现有对资源分配方案的研究多数都是基于已获得准确的空闲频谱资源进行分配的,忽略了频谱感知不完美性对资源分配带来的影响。此外,多数资源分配方案没有深入考虑不同认知用户的业务类型,通常假设各认知用户对资源的需求相同。因此,基于上述分析,在干扰限制条件下,提出了一种综合考虑频谱感知不完美性和认知用户的不同业务需求的资源分配策略,该方案的目的是保证每个用户都能满足一定的通信要求,充分利用有限的频谱资源。采用以最大化认知用户的信道容量为目标,在干扰功率限制、服务质量保证等约束条件下,构建具有多约束限制的数学模型。然后,在考虑认知用户频谱感知不完美的基础上,增加认知用户对主用户频谱检测的约束条件。基于上述的实验方法,仿真结果表明,所提的资源分配方案既可以获得较高的系统容量,也能兼顾不同认知用户间的自身需求。 综上所述,本文以提高认知无线电网络中发现频谱机会和充分利用频谱资源为核心,系统地研究了协作频谱检测优化、物理层的安全性、检测性能指标权衡、频谱资源分配的关键问题。通过对认知无线电网络的频谱感知与资源分配的理论建模及分析,提出了相应的解决方案,并通过仿真实验验证了其性能。基于以上解决方案,对一般的认知无线电网络的非授权用户,可以在不同网络环境下有效地实现频谱感知、完成频谱分配等功能。本文的研究工作对不同业务需求的混合型认知无线电网络的研究提供了基础,对于认知无线电的研究发展和实际应用具有积极的推动作用。


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