基于認(rèn)知的動態(tài)頻譜共享系統(tǒng)容量估化技術(shù)研究.pdf

1、文章研究了認(rèn)知頻譜共享系統(tǒng)的容量優(yōu)化技術(shù)。從介紹認(rèn)知無線電技術(shù)基本概念出發(fā)，通過對分級頻譜共享系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，闡述了動態(tài)頻譜共享對提高頻譜效率的重要意義；接著探討了次用戶競爭和頻譜感知對認(rèn)知系統(tǒng)容量的影響，為頻譜共享系統(tǒng)容量優(yōu)化提供思路和方向；隨后從MAC幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化、接入算法設(shè)計、功率控制等角度優(yōu)化頻譜共享系統(tǒng)的容量。主要研究內(nèi)容和成果包括：
　　 1)基于馬爾可夫過程對分級頻譜共享系統(tǒng)進(jìn)行建模，推導(dǎo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)并分析比較機

2、會接入(Overlay/OSA)和共存式頻譜共享(Underlay)系統(tǒng)的性能。綜合考慮主用戶和次用戶活動對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，首先從信道動態(tài)性的角度建模Overlay和Underlay系統(tǒng)動態(tài)性，得到Overlay系統(tǒng)的N維3N狀態(tài)馬爾可夫過程模型和Underlay系統(tǒng)的N維4N狀態(tài)馬爾可夫過程模型；基于建立的模型推導(dǎo)了諸如用戶阻塞概率、信道利用率等系統(tǒng)性能指標(biāo)的閉合表達(dá)式，并應(yīng)用這些指標(biāo)分析比較Overlay、Underlay以及非頻譜

3、共享系統(tǒng)的性能差異，從理論上闡述了頻譜共享的必要性以及建模系統(tǒng)動態(tài)性對系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化的重要性。
　　 2)通過建模Underlay系統(tǒng)容量為分集(競爭)次用戶數(shù)的函數(shù)來量化分析次用戶分集對頻譜共享系統(tǒng)容量的影響；通過建模認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為感知時間的函數(shù)來研究頻譜感知對OSA系統(tǒng)容量的影響。首先，考慮次用戶分集場景將Underlay系統(tǒng)可獲得的容量建模為分集用戶數(shù)的函數(shù)，由此定義并推導(dǎo)出次用戶的分集增益，進(jìn)而從理論和仿真角度分

4、析了次用戶分集對Underlay系統(tǒng)可獲得的容量的影響。其次，考慮OSA系統(tǒng)的感知-吞吐量交易，將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量建模為感知時間的函數(shù)，進(jìn)而分析了感知時間和感知質(zhì)量對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可獲得的吞吐量的影響。這些研究為頻譜共享系統(tǒng)容量優(yōu)化提供了思路與方向。
　　 3)在分析OSA系統(tǒng)次用戶信道切換活動的基礎(chǔ)上，通過平衡感知質(zhì)量指標(biāo)(檢測器的ROC)和認(rèn)知系統(tǒng)的感知.吞吐量交易對次用戶的感知時間和MAC幀長進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐

5、量。針對周期性信道感知機會頻譜接入系統(tǒng)，首先在建模系統(tǒng)動態(tài)性的基礎(chǔ)上研究一般化的次用戶信道切換問題，得到次用戶的成功切換概率、阻塞概率、無切換概率以及平均切換時延等性能指標(biāo)的閉合表達(dá)式；隨后，根據(jù)信道切換推導(dǎo)出MAC幀的三種應(yīng)用圖景，據(jù)此推導(dǎo)出新的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量模型，它是感知時間和MAC幀長的函數(shù)；通過平衡頻譜感知指標(biāo)并最大化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量，推導(dǎo)出最優(yōu)感知時間和最優(yōu)MAC幀長的閉合表達(dá)式，進(jìn)而得到認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可獲得的最大吞吐量。理論和仿真結(jié)

6、果揭示了感知質(zhì)量和信道切換對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。
　　 4)在建模OSA系統(tǒng)主網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性和次用戶頻譜感知活動的基礎(chǔ)上定義并推導(dǎo)出一個跨層性能指標(biāo)，以該指標(biāo)為接入收益函數(shù)提出一種跨層優(yōu)化接入算法。針對周期性信道感知機會頻譜接入系統(tǒng)，在建模主網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性和次用戶頻譜感知活動的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出次用戶在每個信道上的無碰撞傳輸概率，這是MAC層指標(biāo)；結(jié)合信道傳輸容量這一物理層指標(biāo)，推導(dǎo)出次用戶在每個信道上無碰撞傳輸時可獲得的信道容量，稱為有效

7、傳輸容量；以最大化有效傳輸容量為接入信道優(yōu)選準(zhǔn)則提出一種跨層優(yōu)化接入算法，并推導(dǎo)出OSA系統(tǒng)可獲得的最大平均有效傳輸容量的閉合表達(dá)式。理論和仿真結(jié)果表明跨層優(yōu)化接入算法可以提供高于單一物理層或單一MAC層優(yōu)化算法的有效傳輸容量。
　　 5)提出混合Overlay/Underlay頻譜共享模型，在建模主網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出混合頻譜共享系統(tǒng)的容量，并采用功率控制技術(shù)對系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合Overlay和Underlay優(yōu)勢提出

8、混合頻譜共享模型，它允許次用戶依據(jù)主網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化借助自適應(yīng)功率控制技術(shù)靈活工作于Overlay狀態(tài)或Underlay狀態(tài)。考慮FDMA主網(wǎng)絡(luò)和CDMA主網(wǎng)絡(luò)兩種場景，通過分析主網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性得到次用戶處于Overlay狀態(tài)和Underlay狀態(tài)的時間比率，由此推導(dǎo)出混合頻譜共享系統(tǒng)的容量模型；以最大化系統(tǒng)容量為準(zhǔn)則，推導(dǎo)出次用戶在Overlay和Underlay狀態(tài)的最優(yōu)發(fā)射功率，進(jìn)而得到混合頻譜共享系統(tǒng)可獲得的最大容量。理論和仿真結(jié)果表