認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知策略和頻譜管理策略的聯(lián)合設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,大量可用頻段已被分配。頻譜資源的稀缺已成為制約寬帶無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸。據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)的頻譜策略任務(wù)工作報(bào)告指出,當(dāng)前大部分的授權(quán)頻段未得到充分利用。認(rèn)知無線電技術(shù)提出了一種動(dòng)態(tài)頻譜共享的框架,允許非授權(quán)用戶(次用戶)在不影響授權(quán)用戶(主用戶)工作的前提下,感知、識(shí)別及接入當(dāng)前空閑的授權(quán)頻段,從而提高頻譜利用率。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)研究過程中,通用的仿真平臺(tái)是研究網(wǎng)絡(luò)性能、分析協(xié)議工作機(jī)制、改進(jìn)策略算法的

2、基礎(chǔ)。在開源網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2基礎(chǔ)上,開發(fā)設(shè)計(jì)了全新的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)。該平臺(tái)擁有獨(dú)立的架構(gòu)體系,能夠反映認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層次模塊的工作機(jī)制、功能模塊和協(xié)議棧,還提供方便友好的用戶圖形界面。該仿真平臺(tái)的開發(fā)為后續(xù)研究打下堅(jiān)實(shí)的仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)要求次用戶對其占用的授權(quán)頻段進(jìn)行周期性帶內(nèi)頻譜感知,以便在主用戶返回時(shí)迅速退出該頻段。基于該周期性帶內(nèi)檢測機(jī)制建立了一種優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模型以分析其帶內(nèi)工作機(jī)制,得到了周期性帶內(nèi)檢測

3、機(jī)制次用戶帶內(nèi)工作的性能指標(biāo),如數(shù)據(jù)包平均排隊(duì)時(shí)間、數(shù)據(jù)包平均隊(duì)長、次用戶空閑狀態(tài)概率等。在對以上隊(duì)列模型分析的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的周期性帶內(nèi)檢測機(jī)制對于次用戶空閑狀態(tài)的時(shí)間缺乏利用,由此設(shè)計(jì)了一種基于空閑時(shí)間的認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜主動(dòng)感知策略。該策略在執(zhí)行周期性帶內(nèi)感知的基礎(chǔ)上,利用次用戶的空閑時(shí)間間隙來主動(dòng)感知當(dāng)前占用的授權(quán)頻段,提早發(fā)現(xiàn)主用戶的返回狀況,以降低檢測延時(shí),保護(hù)主用戶的正常通信業(yè)務(wù)。仿真結(jié)果表明,分析模型給出的理論分析結(jié)果

4、對仿真結(jié)果有較精確的擬合,該模型可以有效用于描述周期性帶內(nèi)檢測機(jī)制的工作情況。此外,基于空閑時(shí)間的帶內(nèi)頻譜主動(dòng)感知策略相比周期性帶內(nèi)檢測機(jī)制,在不影響其次用戶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)性能的前提下,能夠有效降低檢測延時(shí),尤其在次用戶低數(shù)據(jù)負(fù)載的場景下,檢測延時(shí)性能的提升尤為明顯。在頻譜感知的基礎(chǔ)上,討論認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享管理策略。針對寬帶認(rèn)知無線電系統(tǒng)采用的單信道頻譜共享機(jī)制,建立了一種搶占優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模型以分析其頻譜管理機(jī)制。在對該模型分析的基

5、礎(chǔ)上,可以得到單信道頻譜共享機(jī)制的次用戶數(shù)據(jù)傳輸性能指標(biāo),如數(shù)據(jù)包平均等待時(shí)間、平均中斷次數(shù)、平均吞吐量等。由于單信道頻譜共享機(jī)制未考慮不同次用戶的負(fù)載狀況,其在負(fù)載不均衡場景下其對空閑信道利用率不高。針對該問題設(shè)計(jì)了一種多信道頻譜共享機(jī)制。該機(jī)制允許次用戶以混合隊(duì)列形式時(shí)分共享整個(gè)寬帶頻譜,使得次用戶能夠根據(jù)自身負(fù)載狀況獲得所需的空閑頻譜資源,從而大大提升了次用戶數(shù)據(jù)傳輸性能。之后通過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明多信道頻譜共享機(jī)制相比單