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基于信道质量的认知无线网络跳频盲汇聚技术研究

基于信道质量的认知无线网络跳频盲汇聚技术研究

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作者：郑歆彧电子科技大学

学位级别：硕士

在认知无线网络中,认知用户可以通过动态感知频谱资源,机会式地接入到当前未被授权用户占用的授权频段,减少频谱资源的浪费。为了协调这一接入过程,任意两个认知用户可以在缺乏授权频谱资源的情况下利用跳频方式实现在公共可用信道上的... 详细信息

在认知无线网络中,认知用户可以通过动态感知频谱资源,机会式地接入到当前未被授权用户占用的授权频段,减少频谱资源的浪费。为了协调这一接入过程,任意两个认知用户可以在缺乏授权频谱资源的情况下利用跳频方式实现在公共可用信道上的汇聚,并交互包括频谱感知结果、时钟和握手协商等各类型控制信息,从而实现不依赖于任何固定控制信道的控制信息交互,并有效缓解单个控制信道存在的流量饱和问题。现有针对跳频汇聚问题的研究大多集中在最小化汇聚时延和最大化汇聚度上,忽略了汇聚信道的通信质量问题。由于在现实通信环境中,如果两个认知用户在一个通信质量很差的信道上实现汇聚,那么它们之间的通信效率会很低,甚至会导致最终通信失败。因此,本论文的研究目标是为认知无线网络设计一种基于信道质量的跳频汇聚方法,以提升基于跳频汇聚方式的控制信息交互性能。为此,本论文提出一种信道排序机制,基于信道上测量到的信干噪比对信道质量进行排序。在构造跳频序列时,我们采用高质量可用信道替换低质量或不可用信道,实现在通信质量较好的信道上的汇聚,并在保证一定汇聚信道个数的前提下尽可能最小化的跳频汇聚时延。在这一信道排序机制的基础上,本论文提出了一种基于信道质量的MESRR-Ⅰ算法,并基于循环差集理论提出基于信道质量的DS-Ⅰ算法,以实现通信双方共用同一方法生成跳频序列的对称跳频汇聚。与此同时,在收发双方需要采用不同方法生成跳频序列的非对称跳频汇聚中,本论文基于现有的ACCH和SJ-RW算法分别提出了基于信道质量的ACCH-Ⅰ和SJ-RW-Ⅰ算法。这些跳频序列生成算法根据信道排序和干扰归一化结果执行信道替换,使汇聚更多发生在干扰较小的高质量信道上,并考虑了时钟异步、干扰同构和异构等多种应用场景,因而具备广泛的适用性。最后,基于MATLAB平台进行大量仿真评估算法性能。结果表明,与现有不考虑信道质量的跳频汇聚算法相比,本文提出的跳频汇聚算法能在通信质量好的信道实现更优的跳频汇聚时间间隔和传输吞吐量。

关键词：认知无线网络跳频汇聚信道排序循环差集

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基于循环差集的认知无线网络控制信息交互机制设计

基于循环差集的认知无线网络控制信息交互机制设计

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作者：陈杰电子科技大学

学位级别：硕士

作为解决无线频谱资源日益稀缺问题的一个关键技术,认知无线电技术允许认知用户在不干扰授权用户通信的前提下动态接入到授权通信频段进行通信,从而提高有限频谱资源的利用率。在频谱异构的复杂电磁环境中,由于相邻认知节点的可用频谱... 详细信息

作为解决无线频谱资源日益稀缺问题的一个关键技术,认知无线电技术允许认知用户在不干扰授权用户通信的前提下动态接入到授权通信频段进行通信,从而提高有限频谱资源的利用率。在频谱异构的复杂电磁环境中,由于相邻认知节点的可用频谱资源可能各不相同,因此它们需要在通信开始之前预先建立一条收发双方皆可用的控制信道,以确保收发双方能顺利交互通信所需的控制信息。为避免预先建立固定无干扰公共控制信道的困难并充分利用多信道频谱资源,一种更为高效可靠的控制信息交互方式是让每个认知节点按照一个随机选择的跳频序列在所有可接入信道上进行周期性跳跃,并在与邻居节点在同一时隙跳到同一信道上(即跳频汇聚)时完成控制信息交互。而本论文的主要贡献是基于循环差集理论为时钟同步和异步的认知无线网络分别设计了相应的跳频系统,即基于特定法则生成跳频序列集合,以实现在任意数量可接入信道上的高效跳频汇聚。本论文详细介绍了评价跳频系统性能优劣的几个重要指标,包括可汇聚信道个数(DoR)、最大汇聚时间间隔(MTTR)、平均汇聚时间间隔(ATTR)、最大条件汇聚时间间隔(MCTTR)以及信道负载(CL),并且对现有跳频系统的各项性能指标进行了总结,为接下来的跳频系统理论分析和性能对比奠定了基础。本论文将现有循环差集(DS)的概念扩展为不相交循环差集(UDDS),并基于这一新概念提出了适用于时钟同步和时钟异步认知无线网络的对称跳频系统,以向每个认知节点提供基于跳频汇聚的发送和接收控制信息的能力。基于严格的数学分析,我们推导出了所提同步和异步跳频系统的各项性能指标,并提出可以基于尽可能多的不相交最小循环差集(MDS)来优化所提跳频系统的性能。由于现有文献均未研究过不相交最小循环差集的搜索问题,本论文接着提出了一种基于高效穷举的搜索算法,以实现对最多可能的互不相交最小循环差集的遍历搜索。之后还进一步提出了一个非常高效的启发式算法以寻找互不相交的最小循环差集,虽然该启发式解决方案不能保证总能找到最多的互不相交最小循环差集,但它的好处是能极大降低穷举搜索算法所导致的过高计算复杂度。本论文在OPNET网络仿真平台上将基于不相交最小循环差集所构造的对称跳频系统与现有的多种对称跳频系统进行了仿真对比,验证了所提跳频系统能够获得优于现有跳频系统的网络平均传输吞吐量和平均传输时延。同时还基于GNU Radio软件无线电平台与USRP硬件设备对基于异步跳频汇聚的认知无线传输系统进行了实验演示,验证了本论文所提出的异步跳频系统能够满足认知无线传输系统的设计要求,实现了频谱发现、频谱切换和跳频汇聚等功能。

关键词：认知无线网络循环差集跳频汇聚时钟异步信道负载

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