认知无线电频谱接入方案的研究毕业论文(编辑修改稿)

认知无线电频谱接入方案的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

种以上的 功能，任意的一项技术也并不只在一个网络层上进行，整个网络是融为一体的。 近年来，认知无线电技术受到来自学术界人的普遍关注，许多国家的研究机构，建立了认知无线电的网络平台，并且根据频谱使用、调制等的不同特点，举出了几项不同的认知无线电的网络构架，主要的构架如下所示： （ 1） Spectrum Pooling:这种构架是建立在频谱池的技术上，同时结合了 OFDM 的另外的一种构架和感知方法，即基站中心式共享频谱架构和ＣＲ用户的感知方法， 并且在有主要用户出现的子载波上以最大功率调制一个复杂的符号，用来实现资源的分配和共享 （ 2） CORVUS：采用协调的方式来实现主用户的频谱感知技术和频谱分配技术。 （ 3） DIMSUMne：采用了两种接入方式，统计复用（ SMA）和协调的接入（ CAB），很具有灵活性。 （ 4） Drive/Over Drive：是通过在异构网络中采用通用协调信道来进行频谱接入的活动，从而实现动态频谱的分配。 整个网络的吞吐量决定了二级用户能够使用的频谱的多少 ，对于是否可以在该网络进行 OSA 的关键的数据量。 jCjB Tj ppt tRT *)1(* )(1 1  [10]其中 R 是二级用户传输速率， 1Tt 是每个时隙用来传输数据的时间， 1Bt 是表示每个时隙所持续的时间， jP 为信道 j的没有使用的概率，由上面的公式可以看出，一个信道的吞吐量与传输速率和每个时间用于数据传输的时间和信道的空闲概率成正比，而与每个时隙的时间成反比，因此 L 个信道的总的吞吐量如下列所示 Lj jTT 1。 吞吐量越大，表示着次要用 户能够使用空闲信道的几乎越大。 认知无线电动态频谱接入模型 在刚开始的 无线通信系统对频谱的利用是基于静态 频谱分配策略 的 ，无线通信系统只能严格按照频谱的划分， 授权用户占用着自己的频段 ，并 从这些频段中挑选出最适合自己的通信通道。 这样具有盲目性。 而认知无线电中的动态频谱接入技术则能根据 频谱被使用的 情况 ，在 合适的地点、 时机， 用合适 的工作方式利用一切可用信道 (包括对非授权频段的利用 )，不仅大幅度地增加了 认知 用户接入频谱的机会，而且有效地提高了信息传输的质量和频谱利用率。 根据 IEEE 1900． 1草案标准的 定义，动态频谱接入是一种可以在一定频谱使用权限范围内动态地选择工作频谱，并利用在一定时域、空域和频域上出现的频谱11 机会进行通信的无线电技术。 简单点说，动态频谱接入技术 [11]是针对现有频谱分配策略的三个主要弊端提出的：一是固定分配；二是共享性差；三是对频谱如何使用的严格限制。 在 动态 频谱中的 SU（二级用户） 主要是利用频谱利用的状况来自适应的调整自己的工作参数以便于介入空闲的授权的频谱资源。 对于认知无线电来说，其是基于软件无线电平台的，是通过对于整个的通信环境的变化进行探测来自适应的调整自己的工作参数来获取空闲 的频谱， 后来形成了动态频谱接入方案，是一种 重要的实现平台。 而 动态频谱接入方案 的分类 分为很多种。 具体的分类如下所示： Qing Zhao等人的 系统理论上来分类 [12] 动态 频谱接入大概可以分为三种类型：动态独享型、开放共享型和分层 接入型。 动态独享模型：这种模型主要是针对于固定分配和具有严格的频谱限制这两个方面的，主要是使用静态的分配政策的基本结构，即和之前所说的没有很大的出路，但和静态的分配策略的最大不同是前者更加具有灵动性。 其中动态独享模型具有两个方面的技术：频谱授权和动态频谱分配。 频谱授权指的就 是给授权用户的权利，但是这个权利必须是在指定的时域和空域内，并且信号的功率不能超过规定的功率容限。 而动态频谱分配则是在某些时刻能够把无线频谱的一部分分配给某一无线接入网，其他用户不得使用，但是这种分配方法不能满足通信过程中的突发性。 频谱共享模型：相对于上面的独享来说，这种模型主要是正对现在的频谱共享性差的情况。 所谓共享就是把频谱向所有的用户公开，由网络中的节点把自己所感知到的频谱信息汇总到集中控制的单元，这样进行汇总，再由该单元决定把频谱分配给哪些用户。 这种频谱可以分为分布式和集中式两种。 分层接入模型： 这种模型如同上面的共享型一样，主要也是针对共享性比较差的情况。 但是这种模型主要是把已经授权的频谱拿出来共享。 但这种共享也是有一定的条件的，那就是，必须在不干扰整个授权用户的使用情况下。 2．按照 OSA特性的分类 主要可以分为空域和时域两种的机会频谱接入方案。 对于空域接入来说，主要是在空间中，这种接入方式主要是 SU 通过功率的控制来保证 PU 的通信质量，从而占用空闲信道的方法。 而时域比较简便些，就是利用 PU 在空闲时候就能够占用空闲的信道。 12 图 26 非授权用户的频谱感知图 横纵坐 标分别表示为时间和信道数 ，表示在两个信道中，机会主义频谱接入中 SU 在PU 中寻找机会的图，蓝色部分表示 PU 已经占用的，空白部分为 PU 没有使用的部分，即SU由可能可以占用的部分， )(jSi =0表示被占用，而为 1 是表示为空。 黑 色的线指向的就是频谱空洞，即认知用户可以使用的信道。 3．根据二级用户的接入模型来分类 这种分类主要为三种：基本的二级用户、窄带的二级用户和宽带的二级用户。 从字面上也可以看出，基本的二级用户模型主要就是在一个主用户上进行空闲频谱的搜索来利用搜索到的可用的频谱，即该二级用户只有一个 主用户的选择，个人觉得这种模型非常的局限，不太适合需要灵活性的无线网络，但是既然存在必定有其原因，某些固定的二级用户也许并不需要太多的选择也能够生存下去。 而窄带的二级用户基本的来说，主要的进化就是窄带的二级用户拥有选择性，能够从众多的主用户中挑选出一个进行频谱的检测等等。 宽带就是窄带的延伸，这种模型主要试用于需要较高的宽带要求的网络中。 影响 动态频谱接入 性能的因素 对于 动态频谱接入 来说，它的总的工作流程大概如下： 13 图 27 整体流程图 由上图可以看出，三个大块感知、控制 和 发送都会影响到 整个 动态频谱接入 的实现结果。 所以，下面主要讲讲在整个的通信过程中对结果有很大影响的几项。 频谱空洞的 感知 [13] 频谱空洞已经在上面说到过，它已经指定给了某一个主用户，但是在某一个时段它并没有使用的情况下，空出来的频谱。 对于空洞的检测方法主要有以下的几种： 图 28 二级用户的频谱利用的整体图 在图 29 中呈现了在 n 个信道是，认知用户的感知和传输的整体过程。 黑色的为频谱14 的感知阶段，而白色的为信息的传输阶段。 对于认知无线电的关键技术，已经讨论过在感知技术的一些具体的检测方法。 对于认知 无线电中的频谱接入技术的感知方面也适用于上面所说的感知检测方法。 图 29二级用户传输的整体过程 在感知的优化上，前人们有非常多的努力。 其实 最先提出了 优化 感知机制的 是 Ghasemi等人，主要关注感知模式的选择和感知参数的优化。 CR网络下，次用户的伺机动态接入频谱过程通常可看成两种感知场景：信道搜索和信道监视。 信道搜索是指次用户需要搜索各个信道，寻找可用于传输的空闲频谱。 信道监视则是指次用户必须周期性地检测主用户信号，以避免对重新出现的主用户 造成干扰。 检测周期、检测时间和搜索时间的参数如何选取，以及采用何种感知模式和信道搜索方式，才能使感知效果最优，这都是感知机制的优化问题。 在感知方面，主要是在认知无线电的范围内，感知出能够被自己所利用的空闲的信道，所以对于二级用户来说，信道的吞吐量越大越稳定越能够给二级用户带来更优良的传输环境。 在本论文中，主要是从 主要 用户的保持空闲的概率和由忙碌转化为空闲的概率来判断整个认识无线电的周边环境中可用信道的 总量。  是一级用户从忙碌转化为空闲的概率，而  是其保持空闲的概率。 在 其他条件不变 的情况下，把  的概率不断的增加，相应的 的值不断的减少，通过仿真可以得到一些曲线，具体的分析在第三部分呈现。 相对应的把 的值增大，也可以得出一些曲线。 最后通过这个方法可以判断出，在  与  的之间的差值的绝对值越来越大的时候，网络的 吞吐量相应的也会变大。 因此，在感知信道的时候，感知 传输 信息 确认 1 时隙 t 信道 1 T 0 信道 2 信道 N 15 让感应器感知 主要 一级用户的转化概率，来获得尽可能大的概率差值，查找出最适合的信道作为备用。 整个的感知过程是在认知网络中的物理层中进行的，在感知的时候要求感应器必须具备很高的精确度，并且能随时的感知频谱。 并把感受到的频谱信息进行反馈，以便于及时的更改相应的参数。 除了这个，还有一项在感知过程中很重要的是 感知周期选择 ，周期选择 的目标是使频谱机会的利用率最大。 如果周期太长，那探测频谱空洞的能力就有限，认知用户所获得的吞吐量就很少。 但是如果探测周期很短，这个会浪费资源， 并且技术上比较难实现。 信道的选择 在控制这块中，主要就是控制信道的选择。 在之前的信道接入方面，各国都有一定的研究，提出了在干扰温度模型、学习理论以及博弈论的信道选择的方法。 但是总的来说，这些方法比较的复杂，时延会比较大。 所以信道的选择也是很重要的。 在这里，假设 SU感知频谱的结果都是正确的，主要的讨论在于信道的选择的问题。 在之前的研究中，主要是随机的选择，这样会产生一种坏的情况就是，可能在每次的选择的时候会选中同一个信道，这样就增加了主用户与次用户之间的碰撞率，这样对于整个的无线 网络是不好的。 这次的改进，主要是在每次的选择的时候为每个信道被选 中的概率做一个统计，首先规定感知信道在空闲的时候服从 i 的指数分布。 假设在任意的时刻二级用户 需要传输的时长为 l,那么信道 I 从初始状态停留的时间 iX 超过 l 的概率为  l li iedxxflXP )(1)( i。 首先，从感知的结果中可以得知在最初时段的信道的 i ，然后从中选出一些具有空闲状态的信道。 根据上面的公式，把 P算出来，选择出这 个概率最大的，如果选出的有两个及以 上的信道则任意的选择一个就行了。 然后进行相关的发送，但是当碰到授权 用户时， 必须立即停止传输，然后重新回到第二部分去查询空闲的信道，再继续 开始。 整体的步骤还是一样的，主要的差距就是在发送的长度大于此用户需要发送的信息的长度时的等待时间，主要是判断该主信道是否有被一直抽中使用。 16 图 210 选择的改进信道数与碰撞效率的关系 由上面的实验结果可以明确的看出在信道的不断增加的情况下，有改进的信道选择后，主次用户的碰撞率有很大程度的减少。 所以在信道的选择上进行改进，也是能够很 好的改善整个的通信环境的。 发送过程中的数据包长度 在探测 并找好信道后 ，需要做的就是发送信息了，除了环境的影响之外，认知用户所发送的数据包的长短的影响也很大。 下面主要讨论一下在发送数据包的长度上的影响[14]。 图 211 发送包对于碰撞率的影响 [15] [15] 17 由上图可以看出，在机会频谱接入方案中，发送包的长度趋近于 9 的时候，主次用户的碰撞率相应的增大。 但是从 9开始时碰撞概率机会为 1 了，也就是说，为了尽量的减少主次用户之间的碰撞，必须在发送包上也做一些改善，才能够让认知用户能够在不影响主要 用户的前提下进行通信。 另外 从图中还可以看出 就算数据包的长度接近为零，主次用户的碰撞概率也不可能为零。 碰撞时不可避免的。 2..6 认知无线电的应用 无线电的广泛运用，推动了认知无线电的高速发展。 在商业上的表现就非常的广泛。 在限定的频谱资源下能够谋取更大的利润是商人的天性。 所以商人在带动认知无线电的发展方面也起到了很好的促进作用。 在农村里面，因为农村需要用到的网络不是很多，所以可以充分的利用这部分资源，让高作业的频段可以有喘息的机会。 在军事方面，不能像其他方面利用频谱资源一样。 因为军事方面比较特殊，必须采 用严格的保密措施。 所以在分给军事的频段必须是在不参与任何的商业的基础设施上，通过一些参数的设置来保证通信的质量。 还有在工业、科学或者医疗（ ISM）方面也有进一步的发展。 无论是采用动态频率选择 (DFS)和发送功率控制 (TPC)机制，避免与雷达信号的干扰。 还是在高速的环境下面进行分组接入 (HSDPA)、 CDMA1x EvDO 网络，采用一种认知调制过程，通过确定用户需要的服务，来识别用户工作的最佳环境，从而来设定最佳的调制方案、数据速率及发送功率等等来满足不同的用户的 QOS 的需求，都能体现认知无线电的发展。 但以 上所说的这些只是 CR 极小的一部分应用，这些技术能够按照渐进的方式来扩展直到实现认知无线电所承诺的全部性能。 除了上面所说的应用，在宽带无线通信系统中也有着广泛的应用。 认知无线电在 提高系统的性能和安全性 方面也起到了一定的作用。 和 5GHZ 是没有被授权的频谱，无线局域网在上面的频段中工作，但在工作中可能会收到其他设备的干扰，所以这个时候也可以应用认知无线电，通过一些扫描来确定比较适合的信道供应无线局域网的使用。 从而可以尽快地发现非法的恶意攻击终端。 18 3. 基于 POMDP 的 机会频谱接入 算法 POMDP 接入方案 的提出 随着无限网络的高速发展，发现越来越多的频谱被需要，但是原来的 CR技术不够用，所以。