基于循環(huán)差集的認知無線網(wǎng)絡控制信息交互機制設計.pdf

1、作為解決無線頻譜資源日益稀缺問題的一個關鍵技術，認知無線電技術允許認知用戶在不干擾授權用戶通信的前提下動態(tài)接入到授權通信頻段進行通信，從而提高有限頻譜資源的利用率。在頻譜異構的復雜電磁環(huán)境中，由于相鄰認知節(jié)點的可用頻譜資源可能各不相同，因此它們需要在通信開始之前預先建立一條收發(fā)雙方皆可用的控制信道，以確保收發(fā)雙方能順利交互通信所需的控制信息。為避免預先建立固定無干擾公共控制信道的困難并充分利用多信道頻譜資源，一種更為高效可靠的控制信息交

2、互方式是讓每個認知節(jié)點按照一個隨機選擇的跳頻序列在所有可接入信道上進行周期性跳躍，并在與鄰居節(jié)點在同一時隙跳到同一信道上（即跳頻匯聚）時完成控制信息交互。而本論文的主要貢獻是基于循環(huán)差集理論為時鐘同步和異步的認知無線網(wǎng)絡分別設計了相應的跳頻系統(tǒng)，即基于特定法則生成跳頻序列集合，以實現(xiàn)在任意數(shù)量可接入信道上的高效跳頻匯聚。
　　本論文詳細介紹了評價跳頻系統(tǒng)性能優(yōu)劣的幾個重要指標，包括可匯聚信道個數(shù)(DoR)、最大匯聚時間間隔(MTT

3、R)、平均匯聚時間間隔(ATTR)、最大條件匯聚時間間隔(MCTTR)以及信道負載(CL)，并且對現(xiàn)有跳頻系統(tǒng)的各項性能指標進行了總結，為接下來的跳頻系統(tǒng)理論分析和性能對比奠定了基礎。
　　本論文將現(xiàn)有循環(huán)差集(DS)的概念擴展為不相交循環(huán)差集(UDDS)，并基于這一新概念提出了適用于時鐘同步和時鐘異步認知無線網(wǎng)絡的對稱跳頻系統(tǒng)，以向每個認知節(jié)點提供基于跳頻匯聚的發(fā)送和接收控制信息的能力。基于嚴格的數(shù)學分析，我們推導出了所提同步和

4、異步跳頻系統(tǒng)的各項性能指標，并提出可以基于盡可能多的不相交最小循環(huán)差集(MDS)來優(yōu)化所提跳頻系統(tǒng)的性能。
　　由于現(xiàn)有文獻均未研究過不相交最小循環(huán)差集的搜索問題，本論文接著提出了一種基于高效窮舉的搜索算法，以實現(xiàn)對最多可能的互不相交最小循環(huán)差集的遍歷搜索。之后還進一步提出了一個非常高效的啟發(fā)式算法以尋找互不相交的最小循環(huán)差集，雖然該啟發(fā)式解決方案不能保證總能找到最多的互不相交最小循環(huán)差集，但它的好處是能極大降低窮舉搜索算法所導致

5、的過高計算復雜度。
　　本論文在 OPNET網(wǎng)絡仿真平臺上將基于不相交最小循環(huán)差集所構造的對稱跳頻系統(tǒng)與現(xiàn)有的多種對稱跳頻系統(tǒng)進行了仿真對比，驗證了所提跳頻系統(tǒng)能夠獲得優(yōu)于現(xiàn)有跳頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡平均傳輸吞吐量和平均傳輸時延。同時還基于GNU Radio軟件無線電平臺與USRP硬件設備對基于異步跳頻匯聚的認知無線傳輸系統(tǒng)進行了實驗演示，驗證了本論文所提出的異步跳頻系統(tǒng)能夠滿足認知無線傳輸系統(tǒng)的設計要求，實現(xiàn)了頻譜發(fā)現(xiàn)、頻譜切換和跳頻匯聚