基于同时同频汇聚的认知无线网络控制信息交互机制设计

作     者：吴玉香 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭雪松

授予年度：2016年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：认知无线网络 控制信息 MAC协议 跳频 汇聚 

摘      要：为了提高有限频谱资源的利用率,认知无线网络需要采用高效的多信道MAC协议在相邻认知节点之间交互包括时钟同步、信道感知结果、网络拓扑和信道预约在内的各种控制信息,在有效避免干扰授权用户通信的前提下协商出收发双方皆可用的通信频段。现有大多数认知MAC协议均依赖于一个不会被授权用户干扰的公共控制信道来完成控制信息交互。然而,在日益复杂的无线电磁环境中该公共控制信道很难被建立,同时随着控制信息交互需求的增大该信道本身也会成为认知网络通信性能提升的一个瓶颈。为此,本论文将研究重点放在了如何为不具备公共控制信道的认知无线网络设计高效的控制信息交互机制。该机制通过为所有认知节点设计一个共同的跳频序列生成准则,使得每个节点均能随机生成一个跳频序列以实现在多个信道上的跳跃。当相邻认知节点实现了跳频汇聚,即在同一时隙内跳到同一信道上,它们就可以交互控制信息。与基于公共控制信道的交互机制相比,基于跳频汇聚的交互机制的优点包括:不依赖于任何固定的控制信道,相邻认知节点无需了解彼此的跳频序列信息,以及能有效缓解控制信道流量饱和问题。而本论文的主要贡献在于针对不同的应用需求分别设计了相应的跳频系统,即根据特定准则生成跳频序列集合,以实现基于跳频汇聚的认知无线网络控制信息交互。首先,本文基于旋转升降序列的汇聚特性设计了三种全新的非对称同步跳频系统,以确保在全网时钟同步并且每个认知节点只有数据发送或者接收需求的情况下实现基于跳频汇聚的控制信息交互。其中,第一种跳频系统能针对不同的通信业务负载灵活地生成不同的跳频序列集合以优化控制信息交互的性能,第二种跳频系统则特别适合具备高通信业务负载的认知无线网络中提升控制信息交互的性能,而第三种跳频系统则能够支持认知无线网络对不同认知节点划分不同通信优先级,使得高优先级认知节点能获得优于低优先级认知节点的控制信息交互性能,并同时提升全网节点的基于跳频汇聚的整体控制信息交互性能。通过基于MATLAB的数值计算和基于OPNET的仿真分析可以看出,与现有的非对称同步跳频系统相比,上述三个跳频系统均能具备更优的控制信息交互性能。其次,本论文进一步将基于旋转升降序列的非对称同步跳频系统的设计思想拓展到对称同步跳频系统的设计当中,以确保所有认知节点能在时钟同步并且同时具备数据发送和接收需求的情况下实现基于跳频汇聚的控制信息交互。通过将一定长度二进制数的每一位替换为适当的非对称同步跳频序列,本论文提出了两种对称同步跳频系统,以分别实现不支持和支持节点优先级的控制信息交互。基于OPNET的仿真分析也表明,这两种跳频系统均能获得优于现有对称同步跳频系统的控制信息交互性能。最后,针对认知节点时钟异步的通信场景,本论文还设计了一种非对称异步跳频系统,能在相同可用信道个数的情况下生成比现有非对称异步跳频系统更多的跳频序列。基于OPNET的仿真分析表明,在节点数量相对较少的认知无线网络中,该跳频系统能获得比现有非对称异步系统更优的控制信息交互性能。