认知无线电频谱检测机制研究

为了提高认知用户检测效率、改善认知用户检测性能以及提高频谱资源利用率,从检测模式、检测周期、检测时长和检测信道等多个角度,对认知无线电频谱检测机制中检测参数和检测策略的选取及优化方法进行了理论推导和定量分析.研究结果表明,通过对检测机制中参数和策略的优化,可解决认知无线电中仅凭借单纯物理层检测算法在检测效率和检测性能方面的局限性,在保护授权用户免受干扰的同时增加了认知用户的频谱接入机会.在此基础上进一步提出了认知无线电频谱检测机制中几个下一步研究方向及其难点问题和相关的解决方案.     

一种改进的认知无线电信道选择方法

认知无线电可以通过动态频谱接入技术来有效的提高频谱的利用率,而在动态频谱接入中信道选择策略的优劣直接影响着系统的性能.提出了一种新的基于预测信道空闲概率的信道选择方法.仿真实验表明,该方法能有效减小主次用户之间的碰撞率,从而减小了认知用户对主用户的干扰以及降低了进行信道切换的可能.     

LTE-U与WiFi系统在非授权频段共存机制研究

部署长期演进(long-term evolution,LTE)系统到非授权频段,已经被视为一种缓解目前频谱资源短缺的有效方法.当前的主要挑战是LTE与WiFi系统如何在非授权频段和谐共存.为降低系统总冲突概率,提升非授权频谱利用率并保障WiFi系统的传输性能,提出2种接入机制:基于先听后发(listen before talk,LBT)的随机接入机制(LBT-based random access mechanism,LBT-RA)和基于边听边发(listen and talk,LAT)的冲突避免接入机制(LAT-based collisions avoid access mechanism,LAT-CA).LBT-RA机制基于LBT检测发送方式在传输前对信道进行空闲信道评估(clear channel assessment,CCA),如果检测信道空闲,便随机接入可用的非授权频段.LAT-CA机制基于全双工技术的LAT检测发送方式,能实现频谱检测与数据传输的同时进行,降低用户间的冲突概率.仿真结果表明,提出的LBT-RA和LAT-CA机制能有效提升非授权频谱的利用率,并确保非授权频段LTE(LTE-unlicensed,LTE-U)与WiFi系统的和谐共存.     

基于动态多频谱感知的认知无线网络信道接入策略

针对固定频谱感知信道接入机制授权信道分配效率低的问题,提出一种多用户场景下基于动态多频谱感知的认知无线网络信道接入策略.该策略根据认知用户接入请求等级与空闲频谱发现概率为认知用户动态分配感知信道数量,首先分析了认知用户的最佳感知频谱分配数量,在此基础上通过建立认知用户信道接入模型和授权信道可用度更新机制,设计了一种动态感知频谱分配策略,并采用短视策略对网络吞吐量进行了分析.仿真结果表明,所提信道接入策略要比现有认知无线网络信道接入策略提高了网络吞吐量和认知用户接入的公平性,降低了认知用户的平均接入时延.     

多信道认知网络的直观信道感知策略

为了提高频谱利用率,认知无线电技术可使非授权用户在不影响授权用户正常通信的情况下,利用瞬时的频谱空穴满足自身通信需求。如何通过感知频谱及时有效地发现频谱空穴是一个至关重要的问题,尤其是对于多信道认知无线电网络。针对多信道认知无线电网络,该文在连续时间Markov链的信道占用模型基础上,根据信道状态可能发生变化的概率,提出了一个动态的直观信道感知策略,并考虑了感知周期的影响。仿真结果表明:在感知周期合适的情况下,该策略能够有效地发现并利用频谱空穴,并且比周期感知和随机感知策略消耗更少的能量用于感知。     

感知无线电改进WiMAX性能研究

为提高WiMAX系统频谱利用率,减小与其他系统之间的干扰,实现共存,利用感知无线电的周期图频谱检测和频谱池技术,对WiMAX性能加以改进。采用WiMAX系统802.16e基带链路,信道模型选用M.1225中规定的VA车载信道。在频谱感知模块中,频谱模型在由频点相互独立的256个瑞利衰落正弦信号叠加构成。每帧数据传输开始时,二级用户利用周期图频谱检测技术对信道频段进行检测,获得频谱空洞,然后采用频谱池技术在频谱空洞上传输数据。仿真结果表明,WiMAX系统中采用感知无线电技术,可在减小对二级用户干扰的同时,避免对一级用户的影响,从而提高了频谱利用率,使系统性能得到很大提高。     

分布式认知无线电网络用户有效吞吐量的优化

为了解决认知无线电中,认知无线电用户(SU)如何在不干扰授权用户(PU)正常通信的情况下共享频谱资源和优化频谱使用的问题,该文在根据实际情况提出的Markov的PU信道占用模型的基础上,针对PU的行为,制定了一套合理的SU多信道接入方案. 分析了SU占用信道数以及感知周期对用户有效吞吐量的影响. 通过最优化有效吞吐量问题的理论推导和分析,得出了解析解.通过与仿真结果的比较,验证了理论结果的正确性,分析了曲线变化的特点,得出有效吞吐量分别随SU占用信道数以及感知周期的增加而先增大后减小的结论.     

一种新型认知无线电信道状态的预测算法

基于部分可测马尔科夫决策过程(POMDP)模型,结合认知无线电频谱侦测技术,提出一种新的多无线电多信道环境下认知无线电检测信道算法.该算法通过对信道状态历史信息的分析,推导出信道信念状态的初始分布和转移概率;然后,以此选择出具有最佳回报的信道以供接入,使得次用户能获得最佳带宽回报,从而达到提高信道利用率的目的.仿真结果表明,算法获得相对于传统认知无线电频谱接入方式更高的信道带宽,并接近无漏检和虚警现象的理想情况,有效地提高了信道利用率.     

认知无线电中基于双自适应门限和簇的协作频谱检测

认知无线电(CR)被提出来是为了解决频谱资源短缺和低频谱利用率的问题。它允许认知用户在授权用户空闲的时候机会地接入未占用的频谱。因此,快速而又准确地检测授权用户信号是认知无线电系统的基础。为了提高认知无线电网络协作频谱检测的性能,利用了最优化的本地频谱检测,并结合了基于簇的网络模型。首先,将认知用户分为若干个簇,并选出簇头节点。在同一个簇中的认知用户,共同做出一个簇判决。之后,各个簇头节点进行通信做出全局判决。此外,信噪比(SNR)高的认知用户,向信噪比低的认知用户发送辅助信息,以帮助它们利用自适应双门限法,更加准确地完成本地频谱检测。通过仿真可以发现,本地频谱检测和全局频谱检测的性能都得到了提高。     

一种基于信道感知和预测的多址接入方法

为了实现认知无线电系统中机会式的频谱接入、主动避免对主用户的干扰,提出了一种基于信道感知和预测的多址接入方法。考虑主用户对信道的占用过程具有一定的突发性和相关性,将主用户的活动规律建模为半马尔可夫过程。新算法充分利用信道感知结果和主用户的活动规律预测下一个时刻主用户的状态及剩余状态持续时间,并采用递归预测误差法进行参数估计。仿真结果表明,与传统的载波侦听多址接入算法相比,新算法能够在保证主用户阻塞概率约束的前提下,较大地提高频谱利用率,非常适用于认知无线电。     

认知异构无线网络中可信频谱切换机制

在认知异构无线网络中,针对频谱切换过程中次用户发生自私或恶意行为,导致网络性能下降的问题,提出一种基于信誉系统的频谱切换机制。通过提取用户行为特征信息,评估次用户接入信道后的行为,并依据次用户的行为确定其信誉值,在认知基站建立信誉系统。根据次用户的信誉状况来对次用户进行分级,并根据分级情况,为次用户分配授权信道或共享频段的信道。在可信次用户接入授权频谱的过程中,当满足用户等待时延要求时,信誉值高的次用户有更高的接入优先权。可疑次用户可以在共享频段中进行传输。仿真结果表明,算法能够有效地提升系统吞吐量,降低切换及中断概率,减少低信誉次用户接入授权频谱的机会,提升了系统的安全性。     

认知无线传感器网络中基于网络特性的单天线媒体接入控制协议

提出了一种基于网络特性的单天线媒体接入控制(STNC-MAC)协议用于认知无线传感器网络.该协议能使作为次用户的无线传感器节点有效地对主用户使用信道进行机会接入.STNC-MAC充分考虑了主用户和次用户的网络特性,通过定义数据传输单元和最大信道占用时间,设计出适用于STNC-MAC的数据传输方案和可用信道列表管理机制,克服多信道隐藏终端问题和“盲”状态问题;同时,在不对主用户造成严重干扰的情况下,实现了不同主用户信道利用率的数据信道支持不同长度数据包传输的功能.NS2仿真结果表明,STNC-MAC在吞吐量和平均时延方面比STDCA MAC和原始的IEEE 802.11 MAC更好地提高了网络性能.     

基于预测机制的认知无线电机会频谱接入

基于认知无线电(CR)的机会频谱接入技术,近年成为一个研究热点,但大部分文献是根据当前主用户的频谱活动情况来指导次用户的频谱接入。提出一种新的接入机制,根据主用户过去和现在的频谱活动来预测其未来的频谱活动,从而使次用户可以接入可用性高的频段,减少与主用户发生冲突碰撞的可能性。另外,门限值的设定更进一步减少了不可靠的频段,使次用户的通信质量得以提高。通过仿真实验可看出,与传统的接入机制以及未设门限值的接入机制相比较,所提方案能有效地减少主次用户之间的冲突碰撞率。     

认知无线电系统基于动态功率控制的频谱分配

为研究认知无线电系统中下垫式共享方式下的资源分配问题,提出一种基于动态功率调整的子载波分配算法. 该算法根据授权用户的状态对认知用户在子载波上的功率进行动态调整,当授权用户接入时将认知用户的功率限制在干扰功率限之下,当授权用户离开时将认知用户的功率设置为最大发送功率;根据授权用户和认知用户的业务流分布以及认知用户在不同子载波上的信道增益进行子载波的动态分配. 仿真结果表明,与现有算法相比,基于动态功率调整的资源分配算法能够获得明显的吞吐量性能增益.      

基于POMDP模型的分布式机会频谱接入算法

针对认知无线电（cognitive radio,CR）信道的动态特性,以部分可观测马尔科夫决策过程（POMDP）为模型对认知无线电网络用户的频谱感知和频谱接入过程进行研究,提出了基于POMDP模型的分布式机会频谱接入算法.该算法利用网络信道的历史频谱感知信息对主用户接入信道的状况作出估计,以认知用户吞吐量最大化为目标进行频谱接入.同时,通过贪心算法得到此优化策略的次优解,降低了最优策略的计算复杂度.论文分析了认知用户接入吞吐量与网络中信道数目以及信道状态转移概率之间的关系,将贪心算法与随机检测接入算法进行了仿真比较.仿真结果显示,该算法获得的吞吐量比随机检测接入算法提高了约25％,能够更有效地做出接入策略.     

基于预测机制的认知无线电机会频谱接入

基于认知无线电(CR)的机会频谱接入技术,近年成为一个研究热点,但大部分文献是根据当前主用户的频谱活动情况来指导次用户的频谱接入。提出一种新的接入机制,根据主用户过去和现在的频谱活动来预测其未来的频谱活动,从而使次用户可以接入可用性高的频段,减少与主用户发生冲突碰撞的可能性。另外,门限值的设定更进一步减少了不可靠的频段,使次用户的通信质量得以提高。通过仿真实验可看出,与传统的接入机制以及未设门限值的接入机制相比较,所提方案能有效地减少主次用户之间的冲突碰撞率。     

基于OFDM的认知无线网络中最小代价增量资源分配算法

认知无线电是解决频谱资源紧张,提高频谱利用率的有效方式之一。在保护授权用户不受过度干扰的前提下,为了充分利用基于OFDM的认知无线网络频谱资源,在分别考虑频谱检测可靠性和互干扰对资源分配影响的基础上,构建了一个联合功率控制和子载波分配的最优化目标。考虑算法实际可行性,提出了3个次优的基于最小资源代价增量的算法,即最小功率代价增量算法、最小干扰代价增量算法以及最小功率干扰加权和代价增量算法。数值仿真表明,相比于现有的静态等功率资源分配,所提算法的吞吐量性能均有明显提升,其中,最小功率干扰加权和代价增量算法整体性能最好。     

基于多目标优化认知无线电干扰抑制算法

认知无线电系统的重要原则是保障授权用户的通信质量,为了提高授权用户的通信质量必须有效抑制授权用户与认知用户的载波间干扰,为此提出了基于多目标优化的认知无线电干扰抑制算法。该算法通过分析频谱池中影响授权用户的载波间干扰能量,定位出认知用户子载波中对授权用户产生最大干扰的子载波序列,在满足认知用户数据传输率目标的前提下,屏蔽这些最大干扰子载波能有效抑制系统干扰能量。仿真结果表明,在满足认知用户目标误码率条件下,新的干扰抑制算法能明显抑制影响授权用户的载波间干扰,使授权用户获得更好的误码率性能。     

超密集网络中基于分簇的资源分配算法

针对超密集网络(ultra-dense network, UDN)中,严重的小区间干扰制约终端用户的数据速率问题,提出一种基于染色分簇的资源分配方案。该方案采用图论中的染色算法对微蜂窝接入点(femtocell access points, FAPs)进行分簇,利用簇内每个微蜂窝用户(femtocell user equipments,FUEs)的待发送数据量、排队等待时延以及受到的干扰强度来构建相应的优先级,计算每个簇的优先级,并设定高优先级的簇可优先获得信道增益良好的子信道;最后由拉格朗日乘子法求解功率分配方案,即利用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件和注水算法为FUEs分配功率。仿真结果表明,该方案能够有效地减小微蜂窝接入点之间的相互干扰,极大地满足用户的服务需求,同时提升了系统吞吐量和频谱效率。并且基于最大功率和最低速率的公平性准则能够动态地调整子信道功率,进一步提升了FUEs间的公平性。