分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的QoS保障關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、認(rèn)知無線電技術(shù)作為下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，解決了現(xiàn)有“行政管理”頻譜分配方式導(dǎo)致的授權(quán)無線資源低利用率的問題。通過感知和理解所處環(huán)境，認(rèn)知用戶（Secondary User，SU）根據(jù)自身服務(wù)質(zhì)量（Quality ofService，QoS）要求，在有效規(guī)避授權(quán)用戶（Primary User，PU）的同時(shí)完成自身通信。然而，在分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，QoS保障面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)：
　?。?）相比具有高優(yōu)先級(jí)頻譜使用權(quán)的PU，S

2、U僅具備低優(yōu)先級(jí)頻譜使用權(quán)，這種頻帶使用權(quán)限的不等導(dǎo)致SU頻繁地進(jìn)行頻譜切換行動(dòng)；
　　（2）跟任何無線通信一樣，認(rèn)知無線電技術(shù)也存在安全隱患；
　　（3）分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中不存在可用的頻譜資源。在歸納總結(jié)了國內(nèi)外最新研究成果的基礎(chǔ)之上，本文針對(duì)以上三個(gè)問題逐步展開課題研究。
　　首先，針對(duì)兩種視頻模式在頻譜切換過程中QoS的保障問題，提出了一種基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃和部分觀測馬爾可夫過程的進(jìn)化切換策略。通過引入分

3、布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中存在的多種實(shí)際限制因素（例如不完美的PU感知結(jié)果、SU有限的感知范圍、PU和SU的非同步通信、SU移動(dòng)性以及SU硬件限制等），并根據(jù)實(shí)時(shí)視頻和視頻流的兩種特定QoS要求，將頻譜切換過程分解為短期優(yōu)化過程和長期優(yōu)化過程。在實(shí)時(shí)視頻（或視頻流）傳輸過程中，基于PU的沖突概率等實(shí)際限制因素，將短期優(yōu)化問題建模為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。在長期優(yōu)化過程中，基于不準(zhǔn)確的信道感知結(jié)果、受限的感知范圍等制約因素，以多個(gè)短期優(yōu)化收益之

4、和為目標(biāo)函數(shù)，SU將長期頻譜切換過程建模為部分可觀測馬爾可夫過程。通過求解此過程，SU制定了進(jìn)化切換策略，并最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻和視頻流QoS的最優(yōu)化。
　　其次，針對(duì) MAC層受到縮減窗口攻擊問題，提出了一種基于規(guī)則的預(yù)先防御機(jī)制。首先，對(duì)貪婪認(rèn)知系統(tǒng)（Greedy Cognitive Radio，GCR）設(shè)定兩個(gè)通信規(guī)則：（1）為了獲取更高的信道接入優(yōu)先級(jí)，GCR要自愿延長自身數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間；（2）在某些時(shí)隙上，GCR要允許普

5、通認(rèn)知系統(tǒng)（Normal Cognitive Radio，NCR）與之共同使用信道。基于這兩個(gè)規(guī)則，NCR可以獲得更多的通信機(jī)會(huì)，并將自身通信過程分為兩個(gè)步驟：步驟一、基于實(shí)際傳輸環(huán)境，NCR首先檢測并記錄GCR的通信行動(dòng)，以此計(jì)算出自身可用的最新信道接入概率；步驟二、基于接入概率和規(guī)則（1）中GCR數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展延遲時(shí)間，NCR將可用信道帶寬比例問題建模為有約束條件的非線性規(guī)劃問題。通過此問題的求解，SU實(shí)現(xiàn)了單位時(shí)隙內(nèi)吞吐量的最大化。

6、更進(jìn)一步，針對(duì)于縮減窗口攻擊和客觀功能攻擊組成的聯(lián)合攻擊，提出了一種基于環(huán)境進(jìn)化的強(qiáng)化學(xué)習(xí)預(yù)先保護(hù)機(jī)制。在提出的機(jī)制中，通過將單位時(shí)隙內(nèi) SU吞吐量優(yōu)化問題建模為一個(gè)復(fù)合馬氏決策過程，N C R不僅可以提高單位時(shí)隙內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，而且還能在長期通信過程中有效地降低GCR的惡意干擾。
　　最后，針對(duì)分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中有、無可用信道的兩種情況，基于TCP Reno協(xié)議中傳輸層QoS要求，提出了兩種天線選擇策略。當(dāng)分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)

7、絡(luò)中存在可用信道時(shí)，通過聯(lián)合考慮傳輸層中 TCP Reno協(xié)議、物理層中天線選擇技術(shù)與多種調(diào)制方式，SU將傳輸層吞吐量最大化問題建模為最大最小優(yōu)化模型。通過此模型的求解，設(shè)計(jì)了理想情況下傳輸層吞吐量最優(yōu)的天線選擇策略。此外，當(dāng)分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中不存在可用信道時(shí)，基于PU干擾容限限制，通過使用機(jī)會(huì)空間正交方法，提出了傳輸層實(shí)際吞吐量最優(yōu)的天線選擇策略?；趦煞N天線選擇策略的設(shè)計(jì)，一方面 SU可以通過物理層技術(shù)（例如天線選擇技術(shù)和多種調(diào)