面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的鏈路初始化與頻譜分配技術(shù)研究.pdf

1、在過去的二十年間，通信技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，越來越多的新型通信產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的日常生活之中。特別是無線網(wǎng)絡(luò)的普及，使得人們的學(xué)習(xí)、工作，娛樂變得更加便利。同時，人們對無線頻譜資源的需求也越來越高，在一些開放使用的非授權(quán)頻段上，頻譜資源總是“供不應(yīng)求”。然而，現(xiàn)行的頻譜分配政策采用固定的頻譜劃分原則，無論授權(quán)頻段上用戶的使用效率如何低下，非授權(quán)用戶都不得使用空閑的頻譜資源。在不重新劃分頻譜資源的情況下，為了解決頻譜資源“匱乏”和固定頻段利用

2、率低下之間的矛盾，需要一種新的頻譜共享技術(shù)來平衡頻譜資源的使用。在這種需求的指引下，認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運而生。認(rèn)知無線電設(shè)備的普及有利于提升頻譜資源的使用效率，并解決授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段使用不均的矛盾。與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)不同，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)、異構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，這些特性使得將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)實用化面臨著諸多挑戰(zhàn)。論文針對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作頻譜感知、次用戶的鏈路初始化以及頻譜分配等方面展開研究，提出了一系列面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。下面，將本文的主

3、要工作概括如下:
　　為獲得準(zhǔn)確的頻譜感知結(jié)果，對協(xié)作頻譜感知方法進(jìn)行研究，提出了基于可靠判決的協(xié)作頻譜感知算法。首先，根據(jù)本地判決結(jié)果的可靠性隨接收信噪比而提升的特點，計算使用單門限判決的信噪比分界線。在信噪比較高的情況下，為簡化本地判決過程，僅用單門限進(jìn)行判決。在信噪比較低的情況下，為提高判決的準(zhǔn)確性，用雙門限進(jìn)行判決。如果能量累積統(tǒng)計量位于可信區(qū)間內(nèi)，將判決結(jié)果直接輸出至融合中心;如果能量累積統(tǒng)計量位于擬信區(qū)間內(nèi)，先由最佳單

4、門限得到本地判決結(jié)果，然后用接收信號的對數(shù)似然比對判決結(jié)果進(jìn)行驗證，通過驗證的判決結(jié)果被發(fā)送至融合中心。為保證系統(tǒng)的檢測性能，將以往判決經(jīng)驗作為現(xiàn)有檢測結(jié)果的合并權(quán)重，得出最終的感知結(jié)果。
　　為解決認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)非對稱模型中次用戶的鏈路初始化問題，對發(fā)射機和接收機的信道交會方法進(jìn)行研究，提出了基于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)非對稱模型的交會算法。首先，對異步時隙通信系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)素數(shù)模序列的交會性，提出使不同類型基本序列長度互質(zhì)的有限素數(shù)集劃分方法。

5、然后，發(fā)射機與接收機根據(jù)可用信道集自適應(yīng)地定義基本序列長度。該方法可減少信道跳轉(zhuǎn)序列中冗余，縮短交會時間。為提高序列的使用效率，提出使用“空白”時隙進(jìn)行頻譜感知以及交會的分配策略。
　　為解決認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)對稱模型中次用戶的鏈路初始化問題，對具有交會能力的通用信道跳轉(zhuǎn)序列生成方法進(jìn)行研究，提出基于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)對稱模型的交會算法。首先，對不同跳轉(zhuǎn)步長的序列交會性進(jìn)行分析，然后根據(jù)跳轉(zhuǎn)步長對基本序列分類。在次用戶具有對等的可用信道集時，通過ID

6、序列連接不同類型的基本序列組成跳轉(zhuǎn)序列單元。ID序列的唯一、可辯性使跳轉(zhuǎn)序列單元成為滿足異步交會條件的基本單位。在次用戶具有不對等的可用信道集時，通過改變基本序列產(chǎn)生參數(shù)，使交會信道在可用信道集中輪換，確保次用戶在一個循環(huán)周期內(nèi)發(fā)生有保證的交會。為了提高序列的使用效率，提出序列的“空白”時隙進(jìn)行頻譜感知以及交會的分配策略。
　　為解決次用戶配備多認(rèn)知設(shè)備時的鏈路初始化問題，對具有交會能力的并行信道跳轉(zhuǎn)序列構(gòu)造方法進(jìn)行研究，提出面向

7、多認(rèn)知設(shè)備的交會算法。首先，對用于多認(rèn)知設(shè)備的交會模式進(jìn)行分析，證明長度不同的快-慢基本序列組之間的交會性。然后，利用可用信道集直接生成并行跳轉(zhuǎn)序列組。通過分析交會時間與基本序列長度以及快-慢序列分配參數(shù)之間的關(guān)系，提出基本序列優(yōu)化分配策略，進(jìn)一步縮短多認(rèn)知設(shè)備的交會時間。為及時獲得授權(quán)信道狀態(tài)信息，在交會序列中加入“感知”時隙，使信道跳轉(zhuǎn)序列不但能保證交會，并且還可用于周期性頻譜感知。
　　為提高頻譜分配效率，提出基于擬態(tài)物理學(xué)

8、優(yōu)化的并行頻譜分配算法。首先，對集中式頻譜分配場景進(jìn)行分析，通過定義干擾距離建立干擾圖模型。以最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量為目標(biāo)，對分配向量的優(yōu)化分配方案進(jìn)行求解。由于難以獲得最優(yōu)的分配結(jié)果，利用擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化方法搜索次優(yōu)解。通過分解搜索空間，將分配向量分解為一組子向量，同時對所有分配子向量展開并行搜索。迭代搜索得到優(yōu)化的分配結(jié)果，并將其組合生成優(yōu)化解。為提高搜索效率，對群初始化方法進(jìn)行改進(jìn)。通過減少可行解中的隨機操作提高初始群的適應(yīng)度，使后續(xù)搜索