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【原】集中认知用户频谱分配策略和性能分析

来源 : 互联网
作者 : 118期刊网
发布时间 : 2019-04-13 07:44:07

第1章简介


1.1研究背景和研究意义

在现代无线电通信网络中,频谱是有价值且有限的资源。目前,频谱的使用通常由无线电规则部门管理。目前,世界各国都采用静态和固定频谱分配方案,即频谱通常由无线通信系统独立使用。这种静态无线频谱管理方法简单有效地避免了不同无线通信系统之间的相互干扰,但也使频谱资源的使用高度不平衡:大量研究报告表明,许可的频谱使用率通常只有6%左右,大多数许可频谱的利用率很低,导致频谱资源的巨大浪费;非许可频谱的使用非常频繁,并且无线移动通信面临着对各种无线服务的频谱的不断增长的需求。频谱资源严重短缺的巨大挑战。认知无线电(Cognitive Radio)技术是一种智能频谱共享技术,它改变了传统的静态频谱分配思想,应用动态频谱分配方法,通过不断识别外部环境的各种信息来选择适当的信息。诸如工作频率,媒体访问协议和调制模式的传输参数适应环境的变化。从理论上讲,允许多维频谱复用实现频谱资源的“二次利用”,从而提高频谱利用率。

以认知无线电为节点的认知无线电网络(Cognitive Radio Networks)是一种认知网络,可以观察当前网络环境的实时状态信息,根据该信息进行分析和学习,然后实现网络。规划,调整,制定决策并采取适当措施,智能地适应时变外部无线环境,最大限度地利用无线网络资源,增强业务能力,改善用户体验,最终实现端到端性能。

在认知无线电网络中,使用许可频带的用户被称为主用户(PU),其优先使用许可频谱;不拥有任何频带并且只能使用空闲频谱进行通信的用户被称为A认知用户SU(次要用户),其机会性地使用许可频谱而不影响授权用户的正常通信。认知无线电网络研究中存在的主要问题包括信息获取,学习机制,无线资源管理,网络自管理功能,跨层设计和优化,以及网络性能评估指标,其中无线资源管理包括频谱分析和频谱决策 - 制造。 ,访问控制,频谱分配,资源调度等


1.2国内外研究现状

随着无线通信技术的快速发展,频率资源紧张的局面越来越突出。为了满足日益增长的无线通信业务需求,解决频谱资源短缺问题,提高频谱资源利用率已成为推动无线通信业务发展的迫切需要。认知无线电技术应运而生,成为一种热门的无线技术。近年来,各种标准化组织和行业联盟也开展了认知无线电研究,并开始开发认知无线电的标准化和协议。在这一标准化研究工作的推动下,国内外许多专家学者对认知无线电进行了大量研究,并提出了多种频谱分配策略,以提高频谱资源的利用率。

博弈论是应用数学的一个分支,是研究斗争或竞争现象的数学理论和方法。具有竞争性或对抗性的行为被称为游戏行为,游戏的主要目标是研究当事人在游戏行为中是否具有最合理的行为方案以及如何找到这种合理的方案。它的应用范围很广。国内外一些学者将博弈论应用于如何提高频谱利用率,研究基于不同效用函数的频谱分配策略算法,并进行相关的性能分析。

Nie N等。提出了一种博弈论框架来分析分布式自适应信道分配中认知无线电的行为。该方法定义了两种不同频谱共享的目标函数,以捕获自私用户和协作用户的效用。一个是基于效用定义

合作用户,这证明了信道分配问题可以被建模为潜在的博弈,其收敛于某个渠道分配纳什均衡点。另一种是不幸的学习机制,具有不完整的信息需求优势,类似于被迫合作时的潜在游戏性能。参考文献[13]基于现有的博弈论资源分配算法,考虑影响认知无线电网络性能的因素,例如频谱或能效,可靠性,吞吐量等,给出已知不完整的信息。资源分配算法并比较两种算法。


第2章基础知识


认知无线电网络是一种具有认知特征的新认知网络。它使用认知无线电作为节点来完成物理层感知功能。与传统的无线通信网络相比,它在寻找空闲频谱和合理使用频谱方面具有更强的功能,并通过自配置响应和自适应地适应运营和环境变化。认知无线电是认知无线电网络的核心技术。它具有许多特征,如知识,感知和学习。它可以以最佳方式应用其无线电功能,并提高频谱资源的利用率。


2.1认知无线电网络的定义和特征

对于不同的应用环境或技术论文翻译领域,存在许多认知无线电的定义。在他发表的论文中,Mitola J博士首先提出了认知无线电的概念,并进一步将其描述为:能够感知外部无线电环境,根据用户的通信需求选择最合适的无线电资源和服务,并提高频谱利用率。率。从频谱管理的角度来看,FCC将认知无线电定义为与工作环境交互以改变发射机参数的无线电。从信号处理的角度来看,Simon H教授做出如下定义:认知无线电是一种智能无线通信系统,能够通过实时调整操作参数来感知和智能地学习外部通信环境,使其内部参数适应环境变化。实现系统稳定性,提高频谱资源利用率。

认知无线电有两个基本功能:重新配置和认知能力。认知能力,可以与周围环境相互作用,定义适当的通信参数,适应无线环境。认知无线电与外部无线环境之间的相互作用构成了认知无线电的认知周期,包括频谱感知,频谱分析和频谱决策。如图2-1所示,可以根据无线电环境动态编程重配置能力,以调整工作频率,调制模式和发射功率的工作参数,而无需改变硬件组成。


基于认知无线电,诸如摩托罗拉和弗吉尼亚理工的公司已经提出了认知无线电网络的概念,其被描述为具有认知无线电的认知特征,能够感知网络的当前状态,并且理解这些状态信息。学习,利用所获得的知识进行网络规划和决策,采取适当的措施来适应无线环境中的动态变化,增强业务能力,改善用户体验,最终实现端到端的性能改进。


2.2认知无线电网络的频谱分配策略

在认知无线电网络中始终存在频率,时间或空间暂时空闲的频带。由于授权用户的随机性,认知用户的可用频谱资源的位置和数量不断变化,空闲频谱资源也受到限制。因此,认知用户需要竞争这些资源,因此选择合理的频谱分配策略是优化认知无线电网络和提高频谱有效利用率的关键问题。

目前,认知无线电网络频谱分配策略的分类主要分为以下四个指标:分配模式,接入模式,合作模式和网络结构。根据分配方法,可分为静态频谱分配策略,动态频谱分配策略和混合频谱分配策略。根据接入模式,可以分为完全约束的频谱分配策略和部分约束的频谱分配策略;根据合作方式,可以分为合作频谱分配策略和非合作频谱分配策略;根据t

他的网络结构,可以分为集中频谱分配。政策和分布式频谱分配策略。对于上述频谱分配策略的分类,通常需要在实际应用和理论分析中结合使用,并针对特定系统模型或特定应用场景提出不同的解决方案。

2.2.1静态和动态频谱分配策略

静态频谱分配是指将固定频谱分配给特定的无线服务。频谱资源不能根据实际业务需求进行变更。这是一种传统的频谱分配方法,相对简单,系统开销低,可以有效避免不同用户之间的相互干扰。但是,它的分配不够灵活,无法满足用户不断变化的需求。在这种频谱分配模式中,频谱资源的使用具有“分段”现象,这使得频谱资源的利用极不平衡。由于无线服务的快速发展,一些未经许可的频谱被频繁占用,并且授权用户是否使用频谱是一种随机过程,导致具有良好传播特性的频带的利用率非常低。


第3章单缓存集中频谱分配策略............... 15

3.1基于单缓冲的集中频谱分配策略............... 15

3.2服务过程中断的离散时间排队模型............... 16

第4章多高速缓存门轮询频谱分配策略........ 24

4.1基于门控轮询的频谱分配策略........... 24

第5章多缓存有限轮询频谱分配策略.............. 34

5.1基于有限轮询的频谱分配策略............... 34


第5章多缓存有限轮询频谱分配策略


考虑到多个认知用户对频谱使用的公平性,引入了轮询策略来限制认知用户每次发送的分组数量,并提出了基于多缓冲的有限轮询频谱分配策略。服务过程的建立可以中断有限的多空位排队模型,并进行认知性能分析和系统参数优化。


5.1基于有限轮询的频谱分配策略

根据集中式频谱分配策略的工作机制,认知用户对空闲频谱的使用由中央控制器协调和管理。中央控制器通过在其控制范围内收集每个认知用户的频谱感知信息来建立可用的空闲频谱数据库,从而实现频谱的最佳分配。中央控制器负责向每个认知用户访问频谱,这可以考虑不同用户的需求并尽可能避免认知用户之间的相互干扰。

为了整合不规则和不连续的频谱资源,保证频谱资源分配的公平性和合理性,引入了一种限制认知用户一次传输的报文数量的轮询策略,提出了一种可控的可控算法。每个认知用户分配一个频谱,称为基于多高速缓存的有限轮询频谱分配策略。建议的策略包括一个频谱,多个认知用户和多个授权用户。该策略的基本工作原理是:

(1)当认知用户有数据要传输时,首先感知许可频谱,然后在相应的授权频谱上构建认知用户信息,授权频谱信息和授权用户的活动状态。授权频谱状态信息表,然后将状态信息表发送到中央控制器。

(2)中央控制器根据先到先到先传的调度规则,根据从认知用户收集的状态信息表,为认知用户分配空闲频谱,并建立可用的频谱调度表,包括:频谱指数和频谱认知用户指数的分配。最后,中央控制器将时间表广播给认知用户。认知用户感知许可频谱并发送频谱使用请求,并且中央控制器顺序地将频谱分配给每个认知用户。

(3)每个认知用户以固定的访问顺序在频谱上发送数据分组。如果分配给频谱的认知用户具有要发送的数据分组,则认知用户发送的分组的数量是有限的,即,数据分组的最大数量是有限的。传输后是com

中央控制器需要通过固定的转换时间。 ,频谱被分配给下一个认知用户。如果认知用户没有要发送的数据分组,则在固定长度的转换时间之后将频谱分配给下一个认知用户。在将频谱分配给最后一个认知用户之后,中央控制器再次将频谱分配给第一认知用户。这样,实现了多个认知用户共享频谱资源的公平性。

(4)由于授权用户具有使用频谱的抢先优先权,因此认知用户的数据传输被授权用户的到达中断。在这种情况下,考虑到认知用户的实时性并确保认知用户的响应性,认知用户丢弃被中断的数据包,并再次执行频谱感知,等待中央控制器重新分配空闲频谱。继续传输剩余的数据包。


结论

认知无线电是提高频谱利用率的关键技术,可以有效缓解稀缺频谱资源与无线业务需求激增之间的冲突。如何为认知用户选择合理的频谱分配策略并分配更多可用频谱是提高频谱利用率和优化认知无线电网络性能的重要因素。本文研究了认知用户频谱分配的相关方法。提出了三种集中式频谱分配策略,并进行了性能分析和参数优化。论文的研究成果如下。

(1)在现有的集中控制频谱分配算法的基础上,提出了一种新的集中式频谱分配策略,即基于单缓冲的集中缓冲分配策略,基于多缓存的门控轮询分配策略和有限数量。轮询频谱分配策略。在基于单个缓存的集中式缓冲区分配策略中,所有认知用户共享相同的缓存,这最大化了对授权用户的传输权限的保护。在基于多缓冲器的门轮询频谱分配策略中,门控轮询方法确保了认知用户频谱分配的适应性。在基于多缓冲区的有限频率轮询频谱分配策略中,轮询方法用于为具有自己的缓存的认知用户传输数据包,并且每次传输的数据包的数量是有限的,以确保公平性。认知用户使用的频谱。

(2)考虑到授权用户对频谱使用的抢先优先权,建立了基于单缓冲区的集中缓冲区分配策略的可中断服务进程的Geom / Geom / 1排队模型;基于多缓冲区的门轮询的频谱分配该策略建立了一个可以被服务进程中断的队列多休假排队模型。对于基于多高速缓存的有限轮询频谱分配策略,建立了具有中断服务过程的有限多空闲排队模型。相关数学模型的建立为系统的性能分析和参数优化奠定了基础。

(3)分别采用嵌入马尔可夫链方法和再生环方法给出相关排队模型的稳定解。 根据不同的频谱分配策略,给出了认知用户数据包的平均响应时间,吞吐量和频谱切换率等性能指标的表达式,系统地描述了认知用户系统负载和授权用户到达率。依赖。

(4)针对三种集中认知用户频谱分配策略,分别进行了数值实验和系统仿真,揭示了不同性能指标之间的权衡关系。 通过构建利润函数和成本函数,给出了认知无线电。 针对网络中授权用户到达率的优化设计。

参考文献(略)


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