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认知无线电网络的频谱感知策略和频谱管理策略的联合设计研究

黄继翔  
【摘要】: 随着无线通信技术的迅猛发展,大量可用频段已被分配。频谱资源的稀缺已成为制约宽带无线数据业务发展的瓶颈。据美国联邦通信委员会的频谱策略任务工作报告指出,当前大部分的授权频段未得到充分利用。认知无线电技术提出了一种动态频谱共享的框架,允许非授权用户(次用户)在不影响授权用户(主用户)工作的前提下,感知、识别及接入当前空闲的授权频段,从而提高频谱利用率。 在认知无线电网络研究过程中,通用的仿真平台是研究网络性能、分析协议工作机制、改进策略算法的基础。在开源网络仿真软件NS2基础上,开发设计了全新的认知无线电网络的仿真平台。该平台拥有独立的架构体系,能够反映认知无线电网络各个层次模块的工作机制、功能模块和协议栈,还提供方便友好的用户图形界面。该仿真平台的开发为后续研究打下坚实的仿真试验基础。 认知无线电网络要求次用户对其占用的授权频段进行周期性带内频谱感知,以便在主用户返回时迅速退出该频段。基于该周期性带内检测机制建立了一种优先级队列模型以分析其带内工作机制,得到了周期性带内检测机制次用户带内工作的性能指标,如数据包平均排队时间、数据包平均队长、次用户空闲状态概率等。 在对以上队列模型分析的基础上,发现现有的周期性带内检测机制对于次用户空闲状态的时间缺乏利用,由此设计了一种基于空闲时间的认知无线电带内频谱主动感知策略。该策略在执行周期性带内感知的基础上,利用次用户的空闲时间间隙来主动感知当前占用的授权频段,提早发现主用户的返回状况,以降低检测延时,保护主用户的正常通信业务。仿真结果表明,分析模型给出的理论分析结果对仿真结果有较精确的拟合,该模型可以有效用于描述周期性带内检测机制的工作情况。此外,基于空闲时间的带内频谱主动感知策略相比周期性带内检测机制,在不影响其次用户数据传输业务性能的前提下,能够有效降低检测延时,尤其在次用户低数据负载的场景下,检测延时性能的提升尤为明显。在频谱感知的基础上,讨论认知无线电网络的频谱共享管理策略。 针对宽带认知无线电系统采用的单信道频谱共享机制,建立了一种抢占优先级队列模型以分析其频谱管理机制。在对该模型分析的基础上,可以得到单信道频谱共享机制的次用户数据传输性能指标,如数据包平均等待时间、平均中断次数、平均吞吐量等。 由于单信道频谱共享机制未考虑不同次用户的负载状况,其在负载不均衡场景下其对空闲信道利用率不高。针对该问题设计了一种多信道频谱共享机制。该机制允许次用户以混合队列形式时分共享整个宽带频谱,使得次用户能够根据自身负载状况获得所需的空闲频谱资源,从而大大提升了次用户数据传输性能。 之后通过理论分析和数学推导可以证明多信道频谱共享机制相比单信道频谱共享机制能够有效降低次用户数据包平均等待时间和平均中断次数,提高平均吞吐量。仿真结果表明,理论分析结果对仿真结果有较精确的吻合。


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