認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)MAC層關(guān)鍵技術(shù)及安全認(rèn)證研究.pdf

1、隨著無線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長，寶貴而有限的無線電頻譜資源變得越來越稀缺。而認(rèn)知無線電技術(shù)主張利用動(dòng)態(tài)頻譜的思想，主動(dòng)感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和調(diào)度算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜，允許在時(shí)間上、頻率上以及空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用，這將大大降低頻譜和帶寬限制對無線通信技術(shù)發(fā)展的束縛，從而提高頻譜利用率。為了在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)多個(gè)用戶之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享，媒體訪問控制（Media Access C

2、ontrol， MAC）層關(guān)鍵技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，例如認(rèn)知用戶的信道接入機(jī)制及控制信令的設(shè)計(jì)、多個(gè)請求接入網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用調(diào)度、信道間高效的切換技術(shù)以及認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制等。
　　 本文主要圍繞認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)MAC層的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，分別從認(rèn)知用戶的接入調(diào)度、MAC層控制信令設(shè)計(jì)及多信道切換的角度出發(fā)，對認(rèn)知用戶如何自適應(yīng)地利用頻譜資源同時(shí)又滿足一定的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）參數(shù)的問題進(jìn)行了研究

3、，針對動(dòng)態(tài)ad hoc應(yīng)用環(huán)境提出了相應(yīng)的解決方案。另外，對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知結(jié)果的安全認(rèn)證也進(jìn)行了理論探討。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：
　　 1．為了充分利用信道機(jī)會(huì)并高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，將認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶的可用信道機(jī)會(huì)進(jìn)行建模，提出了一個(gè)QoS感知的自適應(yīng)機(jī)會(huì)信道接入（Adaptive Opportunistic Channel Access, AOCA）調(diào)度算法。基于所感知到的信道狀態(tài)信息，將單信道和多信道情

4、景下認(rèn)知用戶的可用信道機(jī)會(huì)建模，根據(jù)信道接入需求動(dòng)態(tài)地調(diào)度物理層的信道感知操作，從而使得用戶自適應(yīng)地最大化信道利用率，同時(shí)不增加認(rèn)知用戶的額外開銷。所提出的AOCA調(diào)度算法的優(yōu)越性在于它能夠自適應(yīng)調(diào)度信道接入并提供QoS支持，所采用的QoS參數(shù)包括空閑緩沖區(qū)的大小、隊(duì)列長度以及沖突比。仿真結(jié)果表明，該算法具有很好的自適應(yīng)性和靈活性，并能夠取得較好的效率。
　　 2．為了在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中靈活高效地利用動(dòng)態(tài)的信道機(jī)會(huì)，提出了一種基

5、于控制信道預(yù)約的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。針對現(xiàn)有認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議控制信道利用率低和限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展的缺點(diǎn)，該協(xié)議引入了競爭控制信道和預(yù)留控制信道。其中競爭控制信道為不同類型的業(yè)務(wù)預(yù)留相應(yīng)的接入機(jī)會(huì)。認(rèn)知用戶在接入過程中，首先在競爭控制信道上預(yù)約預(yù)留控制信道子幀，然后再通過預(yù)留控制信道，基于請求帶寬預(yù)約數(shù)據(jù)信道，同時(shí)用戶通過維護(hù)信道狀態(tài)表來分配和回收信道資源。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議可以有效地調(diào)度多用戶多信道的接入，具有很好的可擴(kuò)展

6、性。與其它基于固定控制信道的MAC協(xié)議相比，大大降低了發(fā)生沖突和擁塞的概率，進(jìn)而降低了端到端時(shí)延，并提供了良好的端到端吞吐性能。
　　 3．在異類認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，為了保證認(rèn)知用戶在多信道切換過程中滿足一定的QoS需求，同時(shí)又盡可能地避免隱藏信道和暴露信道對性能的影響，提出了一個(gè)靈活的自適應(yīng)垂直信道切換算法。該算法基于頻譜共享的概念，假設(shè)存在一個(gè)頻譜池，認(rèn)知用戶據(jù)此動(dòng)態(tài)自適應(yīng)地調(diào)度信道感知，維護(hù)一定的備用空閑頻譜信息，以便認(rèn)知用

7、戶在必要時(shí)進(jìn)行切換調(diào)度。該算法采用信道帶寬作為QoS參數(shù)來刻畫網(wǎng)絡(luò)的異類性。仿真主要考慮了切換阻塞概率、切換開銷和沖突概率這三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明在異步認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和同步認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，所提出的切換算法都明顯地改善了切換期間的服務(wù)性能，并提供了較穩(wěn)定的通信吞吐。
　　 4.針對基于無線電環(huán)境圖(Radio Environment Map， REM)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種基于混沌序列和信道編碼技術(shù)的認(rèn)