（电磁场与微波技术专业论文）认知无线电动态频谱接入与路由算法研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 0 i l l l l 0 1 1 1 1 1 i i l l l l i i l l l l l l l 洲m l y 17 6 0 4 7 2 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 同期：丝丝：! 型 日期：丝翌! 笸、z 翌 北京邮电大学博士学位论文 摘要 认知无线电动态频谱接入与路由算法研究 摘要 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) ，又被称为感知无线电，是近 年来兴起的无线通信新技术。认知无线电技术能够动态感知周围的无线 环境中的频谱使用机会，通过重组无线网络系统框架，使未获得无线频 谱管理组织授权的用户具有智能化辨识及使用空闲授权频谱的能力。因 此，认知无线电技术能够解决无线通信的频谱资源越来越紧缺的现状， 以及授权频段的频谱利用率较低的事实。国内外已有的研究成果表明， 认知无线电具备极高的频谱使用效率，代表着未来发展的新方向，在国 际上已经成为研究的热点。本文在国家自然科学基金项目的支持下，针 对认知无线电网络中的动态频谱接入算法以及路由算法进行研究，主要 的研究工作和创新点包括以下几个方面： 首先，提出了一种采用停止理论来获取感知信道数目的频谱接入算 法。次要( 非授权) 用户通过交互控制帧的方式竞争接入信道的机会， 成功竞争到接入机会的每对次要用户根据停止理论选择最佳数量的授权 信道来感知，此后利用其中的空闲信道通信。同时从理论上计算出次要 用户根据停止理论确定的最佳信道数量，以及采用该频谱接入算法时网 络的吞吐量。仿真结果表明，与固定信道数目的感知方法相比，采用停 止理论的频谱接入算法可以将网络的吞吐量至少提高3 4 1 ，并且与理论 分析结果相一致。 其次，提出了一种利用最优空闲信道通信并采用信道预留机制的频 谱接入算法。网络中的次要用户根据授权信道的利用率，选择在不干扰 授权用户正常使用的情况下一次能传输最大业务量的空闲授权信道通 信，同时进行信道预留。当授权用户要占用次要用户正在使用的信道时， 次要用户将频率迅速切换到预留的信道上继续通信，既不干扰授权用户 的使用，又避免了次要用户通信的被迫中断。该算法还能解决“隐藏 终端和“暴露”终端的问题。同时从理论上分析了采用该频谱接入算法 北京邮电大学博士学位论文 摘要 时网络的饱和吞吐量，仿真结果表明，与不预留信道的机制相比，由于 采用了预留机制，本文提出的频谱接入方法能够使网络的吞吐量提高 1 2 9 6 。 最后，提出了一种基于频谱树的认知无线电路由算法。在该算法中， 次要用户根据对多个授权信道的感知结果，在信道利用率最低的空闲授 权信道组建频谱树。为减小单个根节点的负载，选择多个能感知到相同 空闲信道数量的次要用户作为根节点。在树的形成过程中，由多个根节 点同时发起形成频谱树，因此会形成多棵频谱树，实现了将用户节点分 布于多棵频谱树的目的，有效降低了每棵树的根节点负载。根据频谱树 以及基于最小时延的路由度量标准，建立路由以完成次要用户间的通信， 同时提供了高效的路由维护机制。仿真结果表明，该方案可以在保持开 销基本不变的情况下，大大减小高负载下的端到端时延。 关键词：认知无线电，动态频谱接入，信道预留，路由算法，频谱树 i i 北京邮电大学博上学位论文 r e s e a r c ho nd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sa n d r o u t i n ga l g o r i t h mf o rc o g n i t i v er a d i o s a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，c o g n i t i v er a d i o ( c r ) h a se m e r g e d a san e w t e c h n o l o g y i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i tc a ns e n s ei d l es p e c t r u mi n c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，a n de n a b l e su n l i c e n s e du s e r st oh a v et h e a b i l i t y o f i n t e l l i g e n t l yi d e n t i f y i n g a n du s i n gv a r i a b l e s p e c t r u mb y r e o r g a n i z i n gw i r e l e s sn e t w o r ks y s t e m s s oc r c a ns o l v et h ep r o b l e mo f s c a r c e ra n ds c a r c e rw i r e l e s s s p e c t r u m r e s o u r c ea n dt h ef a c to f u n d e r u t i l i z a t i o no fl i c e n s e d s p e c t r u m i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n r e s e a r c hr e s u l t sf r o mh o m ea n da b r o a ds h o wt h a tc rh a sh i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c ya n dr e p r e s e n t san e wd e v e l o p m e n tt r e n di nt h ef u t u r es ot h a t c rh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l y r e s e a r c h e sd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sa n dr o u t i n ga l g o r i t h mf o rc o g n i t i v e r a d i on e t w o r k s ，i nd e p t hw i t ht h es u p p o r to ft h ep r o g r a mf r o mn a t i o n a l s c i e n c ef u n d a t i o no fc h i n a t h ew o r ki nt h ed i s s e r t a t i o nc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , am e d i a a c c e s sc o n t r o l ( m a c ) t e c h n o l o g y , w i t ht h et h e o r yo f s t o p p i n gr u l et od e c i d et h es p e c t r u ms e n s i n gp r o b l e m ，i sp r o p o s e df o r c o g n i t i v er a d i ow i r e l e s sn e t w o r k s t h es e c o n d a r y ( u n l i c e n s e d ) u s e r s c o n t e n dt h eo p p o r t u n i t yt oa c c e s st h es p e c t r u mb ye x c h a n g i n gc o n t r o l f r a m e s t h e nt h e s e c o n d a r yu s e r s ，w h i c ha c q u i r e t h e o p p o r t u n i t y s u c c e s s f u l l y , s e l e c tt h eo p t i m a ln u m b e ro fc h a n n e l st os e n s ea c c o r d i n gt o t h et h e o r yo fs t o p p i n gr u l e ，a n du s ei d l ec h a n n e l sw i t h i nt h e m a n a n a l y t i cm o d e li sp r o p o s e dt oa n a l y z et h eo p t i m a ln u m b e ro fc h a n n e l s a n dt h et h r o u g h p u to fo u rp r o p o s e dm a cs c h e m eq u a n t i t a t i v e l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u r p r o p o s e ds c h e m ei n c r e a s e s t h e t h r o u g h p u ts i g n i f i c a n t l y , u pt o3 4 1 a tl e a s t ，c a m p a r e dt ot h es c h e m ei n w h i c haf i x e dn u m b e ro fc h a n n e l sa r es e n s e d s e c o n d l y , an o v e lm a cs c h e m e ，u t i l i z i n gt h eo p t i m a li d l el i c e n s e d c h a n n e lw i t hc h a n n e lr e s e r v a t i o n ，i sp r o p o s e df o rc o g n i t i v er a d i ow i r e l e s s n e t w o r k s t h es c h e m ee n a b l e st h es e c o n d a r yu s e r st os e l e c tt h eo p t i m a l i i i 北京邮电人学博0 ：学位论文a b s t ra c t i d l el i c e n s e dc h a n n e lb a s e do ns p e c t r u ms e n s i n go fm u l t i p l el i c e n s e d c h a n n e l sa n dr e s e r v es o m ec h a n n e l s 。f 场e nt h el i c e n s e du s e r sw a n tt ou s e c h a n n e l so c c u p i e db ys e c o n d a r y u s e r s ，s e c o n d a r yu s e r sm u s tv a c a n tt h e m ， a n dr e c o n s t r u c tt h ec o m m u n i c a t i o nl i n k si nr e s e r v a t i o nc h a n n e l s s ot h e s e c o n d a r y u s e r sw i l ln o ti n t e r f e r ew i t hl i c e n s e du s e r s ，a n dt h e c o m m u n i c a t i o nl i n k sa f f e c t e db yl i c e n s e du s e r sw i l ln o tb el o s t t h e s c h e m ea l s os o l v e st h e p r o b l e m s o fh i d d e nt e r m i n a l sa n de x p o s e d t e r m i n a l s a na n a l y t i cm o d e li sp r o p o s e dt oa n a l y z et h et h r o u g h p u to fo u r p r o p o s e dm a c s c h e m eu n d e rt h es a t u r a t e dn e t w o r kc a s eq u a n t i t a t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rp r o p o s e dm a cs c h e m ei n c r e a s e st h e t h r o u g h p u tu pt o1 2 9 6 ，c a m p a r e dt o t h es c h e m ew i t h o u tc h a n n e l r e s e r v a t i o n f i n a l l y , an o v e lr o u t i n gp r o t o c o l ，b a s e do nt h es p e c t r u m t r e e ，i s p r o p o s e df o rc o g n i t i v er a d i ow i r e l e s sn e t w o r k s t h ep r o t o c o le n a b l e st h e s e c o n d a r y u s e r st os e l e c tt h eo p t i m a lu n u s e dl i c e n s e dc h a n n e la f t e r s e n s i n gan u m b e ro fl i c e n s e dc h a n n e l s ，a n de s t a b l i s has p e c t r u m - t r e ei n t h eo p t i m a lc h a n n e l t or e d u c et h el o a d i n go fr o o ti nas p e c t r u m - t r e e ， s o m eu s e r s ，w h i c hs e n s et h es a m en u m b e ro fi d i ec h a n n e l s ，a r es e l e c t e d a sr o o t s s om u l t i p l er o o t sf o r mm u l t i p l es p e c t r u m t r e e sw h i c hh a v es m a l l n o d e s ，a n dt h el o a d i n go fe a c hr o o tc a nb er e d u c e d b yu s i n gt h e s p e c t r u m - t r e e sa n dan e wr o u t em e t r i ca b o u td e l a y , t h er o u t e ，w i t ha n e f f i c i e n tr o u t er e c o v e r ym e t h o d ，c a nb ee s t a b l i s h e df o rt h es e c o n d a r y u s e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rp r o p o s e dr o u t i n gp r o t o c o l s h o r t e n st h e a v e r a g e e n d - t o - - e n d d e l a ys i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s i n g c o n t r o lo v e r h e a d s l i g h t l y k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ，c h a n n e l r e s e r v a t i o n ，r o u t i n ga l g o r i t h m ，s p e c t r u m t r e e i v 北京邮电大学博j ：学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 认知无线电1 1 1 2 软件无线电3 1 1 3 频谱管理3 1 2 认知无线电网络4 1 3 国内外研究现状与分析6 1 3 1 动态频谱接入技术。6 1 3 2 路由技术。7 1 4 论文研究的意义一8 1 5 本文主要研究工作及创新点8 1 5 1 主要工作与创新点。8 1 5 2 论文结构9 第二章采用停止理论的频谱接入算法1 1 2 1 采用停止理论的频谱接入算法1 1 2 1 1 竞争时段1 5 2 1 2 信道感知时段1 7 2 1 3 数据传输时段2 2 2 2 数学分析2 3 2 2 1 竞争时段的分析2 3 2 2 2 信道感知时段的分析。2 5 2 2 3 数据传输时段的分析2 7 2 2 4 网络的吞吐量2 7 2 3 仿真2 8 2 3 1 饱和状态仿真2 9 2 3 2 非饱和状态仿真3 6 2 4 j 、结z m 第三章利用最优空闲信道并采用信道预留机制的频谱接入算法4 1 3 1 利用最优空闲信道并采用信道预留机制的频谱接入算法4 l 3 1 1 授权信道状态列表。4 1 3 1 2 信道选择与预留4 3 3 1 3 数据传输4 6 3 2 “隐藏”终端和“暴露”终端的解决4 6 3 2 1 传统“隐藏”终端的解决4 7 3 2 2 多信道“隐藏”终端的解决4 7 3 2 3 “暴露”终端的解决4 8 3 3 数学分析4 9 3 3 1 空闲授权信道5 0 v 北京邮电大学博j ：学位论文目录 3 3 2 控制信道的竞争5 0 3 3 3 网络的饱和吞吐量5 2 3 4 仿真5 4 3 4 1 饱和状态仿真5 4 3 4 2 非饱和状态仿真。5 8 3 5 小结6 1 第四章基于频谱树的路由算法6 2 4 1 基于频谱树的路由算法概述6 2 4 2 频谱树的形成6 4 4 2 1 授权信道状态列表6 4 4 2 2 根节点的生成算法6 5 4 2 3 频谱树的建立与维护6 7 4 3 路由算法6 9 4 3 1 路由度量准则7 0 4 3 2 路由的建立7 0 4 3 3 路由的维护7 4 4 41 方真7 5 4 5 小结。7 9 第五章总结与展望8 1 5 1 本文研究工作总结8 1 5 2 未来工作展望8 2 参考文献8 3 附录缩略语表9 2 致谢一9 4 攻读博士学位期间发表的学术论文及申请的专利9 5 v l 北京邮电大学博l 学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，尤其是进入2 l 世纪以后，随着无线通信业务的快速增长，可用的 无线频谱资源变得越来越稀缺；而另一方面，授权频段的频谱利用率却很低。所 谓授权频段，是指无线频谱管理机构将某个无线频段授予特定的用户并给予他们 在一定地理范围内对该频段的绝对使用权，未经授权的用户不能在这个区域使用 已授权的频段。美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 的研究报告表明：无线频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段非常拥挤，而 有些授权频段的频谱利用率非常低i l 】。针对无线通信领域中资源越来越紧缺的事 实以及授权频段的频谱利用率亟待提高的需求【2 叫，认知无线电技术【7 j ( c o g n i t i v e r a d i o ，c r ) 应运而生。 认知无线电，又被称为感知无线电，是近年来兴起的无线通信新技术，它能 够使未经授权的用户动态的感知当前通信环境中所有的无线频谱的使用情况，选 择其中的“空白”频段通信，即通过重组无线网络系统框架，使得认知无线网络 具有智能化辨识与改变频谱使用机会的能力。从理论上说，认知无线电技术允许 用户在时间、频率以及空间上进行多维复用，与以往将某一固定的无线频段分配 给特定用户使用的固定分配方式有本质的区别，因此，大大降低了频段和带宽对 无线通信发展所带来的限制。由于认知无线电网络具有极高的频谱使用效率，其 相关技术代表着未来发展的方向，因此，正在受到人们越来越多的关注。 1 1 1 认知无线电 认知无线电又称为感知无线电，是近年来新兴的一种无线通信技术，其概念 首先由m i t o l a 提出。在m i t o l a 的描述中，认知无线电能够感知周围的环境特征， 并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时调整某些传输参数( 如传输的功率， 载波频率以及调制方式等) ，使系统的无线规则与输入的无线电激励的变化相适 应，无论在何时何地都能实现通信的高可靠性以及无线频谱资源利用的高效性。 但是，m i t o l a 并没有详细描述认知无线电的体系结构。 后来，随着认知无线电的发展，美国联邦通信委员会提出了一种更容易被业 界所接受的认知无线电定义：具有动态频谱感知能力的无线电均可以称作认知无 线电，认知无线电能根据环境调整其无线传输的参数。根据当前频谱利用率较低 的现状，联邦通信委员会提出采用认知无线电技术以实现频谱的共享：获得无线 北京邮电人学博士学位论文第一章绪论 频谱管理机构授权的用户，具有对授权频谱的绝对使用权，而具有认知无线电能 力的非授权用户，在授权频谱空闲的时候可以接入空闲的频段通信，但不能影响 到授权用户。根据联邦通信委员会对认知无线电的定义，认知无线电主要有两个 特点：认知能力和重构能力。认知能力，是指能够从周围的环境中感知信息的能 力，认知无线电的认知能力主要通过使用人工智能技术从周围的环境中学习，根 据当前的无线环境实时的确定某些传输参数来体现；重构能力，指的是在传输过 程中，不改变硬件构成的情况，调整工作频谱、调制方式以及传输功率等参数的 能力。 认知无线电的认知过程开始于无线电激励的被动感应，以做出反应行为而终 止。一个基本的认知周期要经历三个基本过程，分别是：( 1 ) 频谱感知；( 2 ) 信 道状态估计及其容量预测；( 3 ) 功率控制和频谱管理。它们的顺序执行使认知无 线电系统的认知功能得以实现。其中过程( 1 ) 的作用是检测授权频段，发现“空 白的频谱资源；过程( 2 ) 的作用是分析“空白频段的特征，估计信道状态 的变化以及容量预测；过程( 3 ) 的目的是确定传输的功率、调制方式等，根据 用户需求选择合适的“空白 频段。通过无线环境中的相互作用，这三个过程形 成了一个认知周期，如图1 1 所示，发射端和接收端必须保持协调以保证整个认 知过程的正确运行。在认知无线电系统中，重构能力以软件无线电作为平台来实 现，在传输过程中能重新配置传输参数。由于无线环境会随着时间和空间变化， 认知无线电的认知能力和重构能力，使传输参数可以在整个传输的过程中根据环 境的变化而调整。 2 图1 - 1 认知周期示意图 北京邮电人学博 ：学位论文 第一章绪论 1 1 2 软件无线电 软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 技术是认知无线电的基础，它 是一种由软件控制发射机的载波频率、频谱范围、调制方式以及网络接入等特性 的无线电。 软件无线电的概念提出之后，迅速受到了人们的关注，同时对它进行了深入 的研究。近年来，软件无线电技术已经发展到相当高的程度，能够成功完成既提 供有利于用户的服务又降低网络拥塞的任务。自适应的无绳电话就是一个简单的 例子，它能在允许的频谱范围内寻找到噪声低和干扰小的信道进行通话。因此， 软件无线电的发展促进认知无线电的发展，由以下三个方面可以看出：( 1 ) 软 件无线电能实现无线频谱资源的管理和优化，而节约无线频谱资源恰恰是制定国 际规则时首要考虑的因素；( 2 ) 软件无线电具备与多种网络的接口并能够优化 网络资源；( 3 ) 软件无线电具有人机接口并能够提供电磁资源以帮助实现人类 的活动。 随着半导体技术、数字信号处理技术、人工智能技术和计算机网络技术等技 术的发展，软件无线电技术也得到了长足的发展。同时，软件无线电技术又作为 认知无线电的平台，也促进了认知无线电的发展，其发展历程如图1 2 所示。 半导体处理器、 d s p 、a d 、d a 转换器 数学和信号 处理：【具包 语言、图像、视频 和数据编码 d s p 技术 终端 认知无线电 协议和礼仪 认知无线电 商业模型 l9 7 0 s 2 0 0 0 s 2 0 0 6 图1 - 2 认知无线电技术的发展历程 1 1 3 频谱管理 无线频谱的监管者，希望认知无线电技术能够提供新的频谱接入和使用的方 3 北京邮电大学博十学位论文第一章绪论 法。因为在当前的频谱分配方案下，大面积范围内将某个频段固定分配一种固定 用途，这种分配方式往往导致有限的频谱未被充分利用。国际电信联盟 ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 、美国联邦通信委员会( f c c ) 以及其他各国的相应频谱监管机构都在研究如何通过在无线电终端以及网络基 础设施中添加智能因素从而提高频谱的利用率。使用认知无线电技术，监管者可 以在更宏观的方面定义政策法规，而具体的细节问题，诸如频段、功率、波形以 及地理位置等，则由无线电终端和网络基础设施来解决。 目前，有两种对无线频谱接入的管理方法：获得频谱牌照的授权接入和未获 得牌照的非授权接入。无线频谱牌照由国家的无线频谱管理机构颁发，牌照包括 无线频段、地理位置和允许的工作参量( 比如带内和带外发射等级) ，获得牌照 的授权用户可以避免来自其他系统的干扰。未获得牌照的非授权用户，在授权频 段中以次要用户的形式工作，由于没有获得授权，因此人们不会为非授权用户提 供任何避免干扰的措施，非授权用户只能在没有干扰的情况下工作，这里所说的 干扰来自授权用户或者其他非授权用户。 1 2 认知无线电网络 认知无线电网络，是由存在于同一区域的授权用户( 首要用户) 和采用认知 无线电技术的非授权用户( 次要用户) 共同构成的网络。授权用户，获得无线频 谱管理机构的授权，拥有对频谱的绝对使用权，但由于授权用户在某时某地并不 是一直使用它的授权频谱，往往导致授权频谱的利用率比较低，因此次要用户可 以使用授权用户未使用的空闲信道通信。但当授权用户想使用这些信道时，由于 次要用户没有获得无线频谱管理机构的授权，必须中断当前的通信并撤出正在使 用的信道，重新寻找合适的空闲信道进行通信。次要用户有中心式和分布式两种 组网的方式，分别如图1 3 和图1 4 所示。 4 北京邮电人学 0 授权用户次要用户 图卜4 分布式网络结构 图1 3 中，在授权用户的覆盖区域内次要用户，由中心基站控制彼此间的通 信，通过感知技术，次要用户可以使用那些授权用户未使用的“空白 频带。 图1 4 中，次要用户没有中心基站的控制，彼此之间以自组织的方式组网。 网络中的次要用户，如果通信的双方在无线收发机的传输范围之内，可以利用空 闲的授权信道直接通信；如果两个次要用户的距离超过了传输范围，不能直接通 信，需要通过其他次要用户转发数据，这时次要用户担负着寻找路由和转发数据 的工作，起到路由器的作用。在分布式的网络中，没有中心控制节点，所有次要 用户地位平等，是自组织形式的网络。因此，分布式的认知无线电网络，结合了 传统自组织网络与认知无线电技术的特点。 本文主要针对具有自组织特点的分布式认知无线电网络的动态频谱接入与 路由算法进行深入研究，提出相应的技术方案。在下一节中，将分别对频谱接入 5 北京邮电大学博：l 学位论文第一章绪论 技术和路由技术的研究现状进行概述。 1 3 国内外研究现状与分析 由于认知无线电技术的特殊性，传统无线网络中的频谱接入技术【8 之1 1 和路由 技术【2 2 。6 】无法直接应用于认知无线电网络，需要设计专门的协议。下面介绍国内 外对认知无线电频谱接入技术和路由技术的研究现状。 1 3 1 动态频谱接入技术 在认知无线电网络中，次要用户需要对网络中的授权信道进行感知，并发现 其中的“空白 信道，将自身收发机的频率调整到授权用户未使用的空闲信道通 信。但当授权用户想使用这些频段时，次要用户必须撤出这些频段，不能影响授 权用户的使用。因此，认知无线电网络中次要用户的频谱接入属于动态频谱接入 方式。 尽管认知无线电网络的频谱接入思想比较简单，但要设计出行之有效的协 议，要面临很多在传统的无线网络中不会遇到的挑战【3 7 - 4 0 。在认知无线电网络中， 考虑到授权用户不定期的使用授权信道，导致授权信道的状态不断发生变化，将 给m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层的设计带来很多难题。其中一个比较显著的 难点，同时也是重点，就是竞争接入与信道分配，即次要用户如何决定在什么时 间接入哪一个授权信道通信，并且不会对授权用户的通信产生干扰。尤其在没有 中心控制节点的分布式自组织网络中，次要用户之间是相互协作和竞争的关系， 对这个问题的研究将更具有挑战性。目前，认知无线电的动态频谱接入研究正在 受到人们越来越多的关注，相关的研究工作主要有下面一些。 通过将信号处理方法和网络技术相结合的方式，q i n gz h a o 等人提出基于分 布式认知无线电网络的动态频谱接入技术【4 h 引，尽管这个策略能够充分的利用无 线频谱资源，但是由于需要次要用户配置大量传感器以获取信道的状态，因此实 现起来比较困难；y i p i n gx i n g 分成排队和无排队两种情况，提出将连续时间的 马尔可夫模型用于认知无线电无线网络中的动态频谱接入算法，并通过机会接入 的方式实现频谱共享的公平性【4 3 j ；h y o i lk i m 等人对认知无线电网络的动态频谱 接入技术的关键性进行相关论述1 ；f a nw a n g 等人将博弈论应用于认知无线电 网络【4 5 】；y o g e s hrk o n d a r e d d y 等人提出了一种在多跳认知无线电网络中的同步 频谱接入算法【铡；文献【4 7 5 1 】分别讨论了机会频谱接入的相互协作、a dh o c 网 络中多信道的m a c 层协议、宽带认知无线电系统的某些物理层问题、认知无线 电的功率量级以及发送端存在旁路信息的混合信道等问题，从不同的侧面论述了 6 北京邮电大学博1 ：学位论文 第一章绪论 基于认知无线电技术的动态频谱管理，以及用户终端和网络系统的协同工作。 针对小型区域，b r i k 等人提出了集中式的动态频谱接入算法，通过智能化分 配频谱来降低拥塞，最小化干扰，从而提高无线网络的性制5 2 】；b u d d h i k o t 等人 采用类似的思想，在更大的覆盖区域提出了集中式频谱接入算法1 5 3 j ，但这两种 算法没有考虑授权信道和非授权信道共存的问题；基于图论模型和线性规划方 法，r a m a n 等人提出通过频谱管理服务器来进行频谱调度，从而实现最大传输率， 该算法在用户数量较少时能有效快速求解，但当用户数量较多时，所需时间急剧 增加，导致该算法不能有效工作1 5 4 j ；m a n s it h o p p i a n 等人提出通过分配时隙和信 道给网络中任意用户的m a c 层数据调度方式1 5 引，该算法针对多跳无线网络； m i s h ad o h l e r 提出了一种利用了干扰的时变波动性的调度方式1 5 6 j ；基于图论染色 模型，h a i t a oz h e n g 等人提出了考虑协作和公平性机会的频谱接入方案、次要用 户间的局部协作算法以及非协作式频谱共享方案【5 7 。5 8 l ；j n e e l 等人将认知无线电 网络和博弈论联系起来，深入研究了认知无线电网络的收敛和优化1 5 9 卸j ，重点关 注当目标为网络整体干扰最小时的算法设计和分析，但局限于单个目标1 6 1 1 ；文 献【6 2 】论述了频谱感知在认知无线网络的动态频谱分配中的关键性；文献f 6 3 1 描 述了认知无线电网络的自适应信道分配方式。 1 3 2 路由技术 与传统无线网络相比，认知无线电网络具有自身的特点，因此，设计认知无 线电路由协议时必须考虑到这些特点：比如次要用户可利用的空闲频谱会随着授 权用户的使用而动态变化，并且每个次要用户感知到的空闲信道可能是不同的， 所以，路由的建立要和空闲信道的选择紧密结合起来。另外与传统网络不同，路 由的失效主要不是由用户的移动引起，而是由于授权用户使用某个信道，导致正 在使用此信道通信的次要用户需要迅速放弃此授权信道所引起，这就需要快速的 路由恢复机制。因此，相比传统自组网路由协议的设计，认知无线电网络的路由 设计也更具有挑战性。目前，国内外对认知无线电的路由技术的研究处于起步阶 段，代表性的工作有下面一些。 文献1 6 5 提出了一种基于树的认知无线电路由协议，但是，该协议仅适用于 单跳的无线网络，而不适用于多跳的无线网络( 比如认知m e s h 网络【叫) ；文献 【6 6 提出了一种能根据频谱状况自适应调整数据速率的认知无线电路由协议；文 献【6 7 】考虑路由选择和频谱管理相互影响的路由协议，在业务量较大时，会导致 端到端时延有剧烈的增加；文献【6 8 】提出了一种基于概率计算的路由协议，该方 法的计算量随着用户数目的增加有剧烈的增加；文献 6 9 1 研究涉及跨层和迭代计 算的路由协议，该协议必须通过复杂的多次迭代计算才能得到优化的路由。 7 北京邮电大学博上学位论文第一章绪论 1 4 论文研究的意义 与传统无线网络中的用户使用固定的无线频段不同，在认知无线电网络中， 次要用户使用的不是固定的无线信道，而是动态变化的信道，是在特定的时间、 特定的区域没有被授权用户使用的“空白 频段。由于认知无线电网络自身的特 点，与传统无线网络有本质的区别：网络中的次要用户感知到的“空白 频段可 能不同，而且随授权用户对频谱的使用而发生变化；不同的“空白 频段有不同 的传输特性，将影响网络中协议的设计；次要用户的可用频段不断变化，将对路 由协议的设计提出新的挑战。因此，设计相关认知无线电网络的协议时必须考虑 上述问题。 本文主要针对具有自组织特点的分布式认知无线电网络的动态频谱接入与 路由算法进行深入研究，从多个方面展开探讨，以提高无线频谱的利用率和网络 的吞吐量，降低端到端的传输时延，实现改善网络整体性能的目的。 认知无线电将是未来无线通信的一个重要发展方向，对认知无线电动态频谱 接入和路由技术的研究目前还处于起步阶段，因此从这个角度看，如果能够结合 我国无线频谱分配和使用的现状，把握住最核心的基础问题，选择合适的切入点 进行研究，我国在这一领域就一定会取得具有自主知识产权的突破性进展，所以 对认知无线电动态频谱接入与路由技术等方面的研究具有重要的意义。 1 5 本文主要研究工作及创新点 论文的总体目标：针对具有自组织特点的分布式认知无线电网络，进行动态 频谱接入算法与路由算法等方面的深入研究。由于认知无线电网络的特殊性，协 议设计思想与传统无线网络不同，本文围绕感知信道的数量、“空白 信道选择 与预留以及多跳传输路径等多个方面提出动态频谱接入技术与路由技术的解决 方案，以提高频谱的利用率。 1 5 1 主要工作与创新点 本文主要研究了认知无线电动态频谱接入算法与路由算法，提出了相应的解 决方案，主要创新之处包括以下几个方面： 首先，针对目前固定信道数目的感知方式，提出了一种采用停止理论来获取 感知信道数目的频谱接入算法。次要用户通过控制帧的交互来获取接入授权信道 的机会，成功竞争到接入机会的用户将根据交互控制帧的次序选择起始信道开始 感知，每次感知的授权信道数量将采用停止理论获取。将次要用户可以获得的传 8 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 输速率定义为停止理论的目标函数，因此使目标函数最大化的最佳停止时机就是 要感知的最佳信道数量。根据对最佳数量的授权信道的感知结果，次要用户采用 信道聚合技术利用感知到的所有空闲信道通信。并通过数学建模，从理论上计算 出最佳的停止时机，以及采用停止理论的频谱接入算法所能达到的网络吞吐量。 仿真结果表明，与固定信道数目的感知方法相比，采用停止理论的频谱接入算法 能使网络的吞吐量至少提高3 4 1 。 其次，针对授权用户使用信道时次要用户必须退出该信道所导致的通信被迫 中断的问题，提出了一种利用最优空闲授权信道并采用信道预留机制的频谱接入 算法。网络中的次要用户根据授权信道被授权用户使用的利用率，在不干扰授权 用户正常使用的情况下计算各个空闲信道能传输的业务量，通过比较选择当前能 传输最大业务量的空闲授权信道通信，同时预留了部分信道。当授权用户要占用 次要用户正在使用的信道时，次要用户可以将频率迅速切换到预留的信道上继续 通信，避免了次要用户通信的被迫中断。该算法还能解决“隐藏”终端和“暴露” 终端的问题。同时从理论上精确计算了采用该频谱接入算法时网络的饱和吞吐 量，仿真表明，与不采用信道预留的机制相比，本文提出的频谱接入算法能够显