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认知无线电关键技术研究

朱平  
【摘要】:认知无线电是一种新兴的无线通讯技术,其目的是有效利用空闲频谱,提高频谱利用率。认知无线电中,授权用户对某一频段拥有独立使用权,通讯不受其他用户干扰。认知用户通过对周围环境的感知和学习,发现闲置未用的频谱空洞,在不与授权用户通讯发生干扰的前提下,以租用的方式利用空闲频谱;当检测到授权用户接入时,及时中断自身服务,退出租用频段,等待下一频谱机遇。 认知无线电的关键技术包括频谱感知、频谱分配以及认知QoS三方面。频谱感知是认知无线电的基础,其主要任务是快速、准确发现系统内可租用的空闲频谱。在频谱感知的基础上,频谱分配根据用户需求,采取一定的策略将空闲频谱分配给认知用户。认知QoS则用于保障无频谱独立使用权的认识用户在其通讯过程中的服务质量。本文围绕上述三大关键技术,从五个方面进行了深入研究: O研究了带反馈的频谱感知方法。推导了基本反馈感知中感知信息的决策准则,并针对基本反馈感知存在的能量、空间开销大等不足,进一步研究了不带历史信息和带前一时刻历史信息的反馈感知。理论和实验表明,引入反馈机制后,认知用户的频谱感知精度得到提高。 ②研究了基于调度的集中式频谱分配。构建了认知调度模型,在该模型基础上提出一种“混合优先级动态调度”策略,给出并证明了基于(?)降序排列的最优频谱调度规则。理论和实验表明,认知用户在调度规则下能在更短时间内完成服务,系统服务率和频谱利用率得到提高。③研究了基于博弈的分布式频谱分配。提出了连锁店博弈模型,在该模型中引入协作机制并通过相关均衡加以求解,解决了纯策略纳什均衡和混合策略纳什均衡存在的不足。理论和实验表明,连锁店博弈模型在收益函数、信道利用率以及通讯时间上均获得了性能提升。④研究了认知用户的服务中断。提出一个新的无线通讯系统QoS参数:平均嵌套中断次数,并通过构建M/G/1和M/G/k优先级排队模型加以求解。该参数的给出,弥补了当前有关服务中断理论研究的不足,同时对认知用户信道选择和频谱分配策略的研究有着重要指导意义。 0研究了认知用户的服务切换。提出一种“随机单次切换”策略,并通过构建基于信道叠加的半马尔科夫多信道切换模型,分析了认知用户在频谱租用过程中的服务等待时间及切换开销。理论和实验表明,“随机单次切换”策略下,认知用户具有更小的服务等待时间和切换开销。 本文通过认知无线电关键技术的研究,提出了基于反馈的频谱感知模型、基于调度的集中式频谱分配模型、基于博弈的分布式频谱分配模型、基于排队的中断分析模型以及基于信道叠加的切换分析模型。这些工作以理论分析为基础,以解决实际问题为目标,对认知无线电的理论研究和具体应用有着重要的指导意义。


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