基于跳频和网络编码的认知无线网络控制信息交互机制设计

作     者：王立书 

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 跳频 网络编码 控制信息 网络仿真 

摘      要：在认知无线网络中,相邻认知节点需要交互包括频谱感知结果、时钟同步、网络拓扑和通信频段预约等大量的控制信息,在不干扰授权用户通信的前提下灵活而准确地从多个授权通信频段中寻找到收发双方皆可用的空闲频谱资源。为此,认知节点可以通过不断切换通信频段来避免采用单一固定的专用控制信道所产生的认知和授权通信相互干扰,并充分利用多个授权信道的频谱资源同时进行控制信息交互,从而更好地避免授权用户干扰和控制信道流量饱和等问题。然而,在现有基于跳频的控制信息交互机制中,所有控制信息传输的中间节点均是采用存储-转发的方式来转发其所接收到的控制信息,会导致其转接次数和能量消耗增加,不利于整个认知无线网络的传输性能提升。例如,中间节点转发次数过多将导致节点能量消耗过多、数据在中间节点等待时间过长(网络的时延过大),不仅如此,链路的利用率也会很低。为此,本论文创新性地将网络编码技术应用于基于跳频的认知无线网络控制信息交互过程当中,以降低中间节点对控制信息的转发次数和能量消耗,并有效提升控制信息交互的性能。首先,本论文提出了一种基于m进制数扩展的支持网络编码的跳频序列生成机制。该机制通过为每个认知编码节点及其邻居认知节点分别设计不同的跳频序列以生成一种能支持网络编码的跳频序列组合,从而确保每个认知编码节点均能够高效地执行网络编码以减少控制信息转发次数,并尽可能地与上下游邻居节点在所有可接入的信道上实现跳频汇聚,在提升控制信息交互效率的同时有效避免与授权通信产生相互干扰。由于该机制确保了不同跳频序列之间的平均汇聚时间间隔足够短,因而能获得比传统跳频通信机制更优的网络控制信息交互性能。其次,为克服上述机制所导致的信道负载较高和信道利用率较低的缺陷,本论文进一步提出了一种基于旋转方式生成支持网络编码的跳频序列设计方案。虽然该方案所生成的跳频序列集合具备较高的平均汇聚时间,但是其更低的平均信道负载和更高的平均信道利用率能够使得认知无线网络的传输吞吐量能在更短时间内达到稳定,并能更好地降低控制信息交互的丢包率。因此,该机制更适用于对网络稳定时间以及网络丢包率有一定要求的网络。最后,本论文还基于OPNET网络仿真软件将所提的两种支持网络编码的跳频控制信息交互机制与传统基于跳频的交互机制进行了仿真对比,仿真结果表明,在无主用户干扰的情况下,使用支持网络编码的跳频通信机制使得网络的平均吞吐量明显高于使用传统跳频通信机制的网络,此外当有主用户存在时,支持网络编码的跳频机制与传统的跳频机制相比可以使得网络的健壮性更强,即时延增长慢,吞吐量下降慢。以此验证了前者在认知无线网络控制信息交互中的优越性。同时,本论文还对所提的两种支持网络编码的跳频控制信息交互机制的平均吞吐量和丢包率进行了仿真对比分析。仿真结果表明,基于m进制数方式与基于旋转方式相比,在网络吞吐量方面前者的性能要优于后者,但在丢包率方面后者要优于前者。此外,后者还能使网络以较短的时间达到稳定。因此,两者分别适用于不同场合的网络之中。