计算机硕士毕业论文：集中式认知用户频谱分配策略及性能分析

第 1 章  绪   论

1.1  课题研究背景与研究意义
在现代无线电通信网络中，频谱是宝贵且有限的资源。目前，频谱的使用通常是由无线电法规部门进行管理。目前世界各国采用的是基于静态的、固定的频谱分配方案，即一个频谱一般仅供一个无线通信系统独立使用。这种静态的无线频谱管理方式简单而有效地避免了不同无线通信系统间的相互干扰，但也使得频谱资源的使用具有高度的不均衡性：大量研究报告表明授权频谱的使用率通常仅为 6%左右，大部分授权频谱的利用率非常低，从而导致了频谱资源的巨大浪费；而非授权频谱的使用却很频繁，随着各种无线业务对频谱需求的大量增加，使得无线移动通信面临着频谱资源严重紧缺的巨大挑战。
认知无线电网络CRNs (Cognitive Radio Networks)以认知无线电作为节点，是一种具有认知能力的网络，能够观察当前网络环境的实时状态信息，根据这些信息进行分析、学习，进而实现对网络的规划、调整、决策，并采取适当的行动，智能地适应时变的外部无线环境，最大程度地提高无线网络资源的利用率，增强业务能力，改善用户体验，最终实现端到端性能的提高。
由于频谱资源的有限性，且受到授权用户使用频谱的限制，认知用户可用频谱的数量和位置随时间和空间在不断变化，并且频谱分配策略的选择直接决定着系统响应性能、吞吐量、频谱利用率以及能否满足不同业务的动态需求，因此，如何为认知用户分配可用频谱，以达到认知无线电网络的优化目标，是能否有效地提高频谱利用率的关键问题。
……

1.2  国内外研究现状
随着无线通信技术的高速发展，频率资源紧张的状况也日渐突出，为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成为了促进无线通信业务发展的迫切需求，认知无线电技术应运而生，成为炙手可热的无线技术。近几年，各标准化组织和行业联盟也纷纷开展有关认知无线电的研究，并且开始着手制定认知无线电的标准化和协议。在此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的研究，提出了多种频谱分配策略来提高频谱资源的利用率。
博弈论是应用数学的一个分支，是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法。具有竞争或对抗性质的行为称为博弈行为，而博弈的主要目标就是研究博弈行为中各方是否存在着最合理的行为方案，以及如何找到这个合理方案。其应用范围广泛，一些国内外学者将博弈理论应用到如何提高频谱利用率，以不同效用函数为基础来研究频谱分配策略的算法，并进行了相关的性能分析。
相比之下，分布式频谱分配策略中每个认知用户都执行分配算法，更适合于认知无线电网络中空闲频谱时变的无线环境，但是受到空间距离、信噪比、链路质量、衰落特性、干扰等复杂多变的无线环境因素的影响，以及考虑到内部硬件条件限制，单个认知用户的感知活动一般无法满足认知无线电网络系统可靠且实时地检测微弱授权信号频谱的要求。若频谱分配中多用户合作检测信息，不仅提高了认知无线电网络整体系统检测性能，而且降低了对单个认知用户检测精度的要求，但频繁的信息交互将会带来更大的系统开销，也会因用户之间的竞争增加阻塞概率。
……

第 2 章  基础知识

2.1  认知无线电网络的定义和特点
针对不同的应用环境或者技术领域，认知无线电有多种定义。Mitola J 博士在其发表的论文中，首次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，选择最适当的无线资源和服务，提高频谱利用率[。从频谱管理的角度出发，FCC定义认知无线电为：通过与工作环境进行交互，进而改变发射机参数的无线电设备。从信号处理的角度出发，Simon  H教授作了如下定义：认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够对外界通信环境进行感知和智能学习，通过实时调整操作参数，使其内部状态适应环境变化，实现系统的稳定性和提高频谱资源利用率。
认知无线电具备两大基本功能：重配置能力和认知能力。认知能力，可以与周围环境进行交互，从而界定合适的通信参数并适应无线环境，认知无线电与外部无线环境的交互构成了认知无线电的认知循环，包括频谱感知、频谱分析和频谱判决，如图 2-1 所示；重配置能力，在不改变硬件组成的前提下，可以根据无线电环境动态编程以调整工作频率、调制方式、发射功率等传输工作参数。
因此，认知无线电网络是具有认知、决策与学习能力的复杂系统，通过对环境的认知能力并利用网络元素重配置的能力，实现各种异构无线网络融合，极大地优化无线网络资源的使用，从而提供多元化的业务、高可靠性的通信质量及更多更先进的应用。
……

2.2  认知无线电网络的频谱分配策略
认知无线电网络中总是存在频率上、时间上或空间上暂时空闲的频段，由于授权用户的随机性质，认知用户的可用频谱资源的位置和数量是不断变化的，同时空闲频谱资源也是有限的，认知用户之间需要竞争这些资源，所以选择合理的频谱分配策略是优化认知无线电网络、提高频谱有效利用率的关键问题。
目前关于认知无线电网络频谱分配策略的分类，主要按照以下四个指标划分：分配方式、接入模式、合作方式和网络结构。按照分配方式可分为静态频谱分配策略、动态频谱分配策略和混合式频谱分配策略。按照接入模式可分为完全受限频谱分配策略和部分受限频谱分配策略；按照合作方式可分为合作式频谱分配策略和非合作式频谱分配策略；按照网络结构可分为集中式频谱分配策略和分布式频谱分配策略。对于上述频谱分配策略的分类，在实际应用和理论分析研究中通常需要联合使用，针对特定的系统模型或具体的应用场景提出不同的解决方案。
结合静态频谱分配与动态频谱分配的频谱分配方式，称为混合式频谱分配。既保持了静态分配的特点，又不失灵活性。
在认知无线电网络中，频谱分配算法设计以检测可用频谱和控制发射功率为基础，选择适应时变无线环境的频谱分配方式。利用动态频谱分配可使授权用户和认知用户之间避免冲突并公平共享频谱，提高无线通信的灵活性，充分利用频谱资源。目前，频谱分配多以动态频谱分配方式为主。 
……

第 3 章  单缓存集中式频谱分配策略.........................15
3.1  基于单缓存的集中式频谱分配策略 .......................15
3.2  服务过程可中断的离散时间排队模型 .....................16
3.2.1  排队模型的建立 ....................................16
3.2.2  排队模型的解析 .....................................17
3.3  性能指标体系 .........................................19
3.4  系统实验 ............................................20
3.4.1  实验结果分析 ......................................20
3.4.2  系统参数优化 .......................................22
3.5  本章小结 .............................................23
第 4 章  多缓存闸门轮询频谱分配策略........................24
4.1  基于闸门轮询的频谱分配策略 ..........................24
4.2  服务过程可中断的闸门多重休假排队模型 .................25
4.2.1  排队模型的建立 .....................................25
4.2.2  排队模型的解析 ......................................26
4.3  性能指标体系 ..........................................29
4.4  系统实验 ..............................................29
4.4.1  实验结果分析 .........................................29
4.4.2  系统参数优化 .........................................32
4.5  本章小结 ...............................................33
第 5 章  多缓存限量轮询频谱分配策略.........................34
5.1  基于限量轮询的频谱分配策略 .............................34
5.2  服务过程可中断的限量多重休假排队模型 ..................35
5.2.1  排队模型的建立 ........................................35
5.2.2  排队模型的解析 ........................................35
5.3  性能指标体系 .............................................40
5.4  系统实验 ..................................................41
5.4.1  实验结果分析 ............................................41
5.4.2  系统参数优化 ...........................................45
5.5  与闸门轮询频谱分配策略的比较 ..............................46
5.6  本章小结 .................................................47
……

第 5 章  多缓存限量轮询频谱分配策略

5.1  基于限量轮询的频谱分配策略
考虑多个认知用户对频谱使用的公平性，引入轮询策略，限制认知用户每次传输的数据包数量，提出基于多缓存的限量轮询频谱分配策略。建立服务过程可中断限量多重休假排队模型，进行认知用户的性能分析及系统参数优化。
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。中央控制器通过收集其控制范围内各认知用户的频谱感知信息，建立可用空闲频谱数据库，从而实现频谱的优化分配。中央控制器负责各个认知用户对频谱的访问，可以兼顾不同用户的需求，并尽可能地避免认知用户间的相互干扰。
为了整合不规律和不连续的频谱资源，保障频谱资源分配的公平性和合理性，引入轮询策略，限定认知用户一次传输数据包的个数，提出一种可控制的算法来公平地为各个认知用户分配频谱，称为基于多缓存的限量轮询频谱分配策略。所提出的策略由一个频谱、多个认知用户及多个授权用户构成。该策略的基本工作原理为：
(1)  当认知用户有数据要传输时，首先对授权频谱进行感知，再将认知用户的信息、授权频谱信息及认知用户观察到的授权用户在相应的授权频谱上的活动状态构成授权频谱状态信息表，然后将状态信息表发送给中央控制器。
(2)  中央控制器根据从认知用户收集到的状态信息表，按照先来先传输的调度规则，将空闲频谱分配给认知用户，并建立可用频谱调度表，其中包括频谱索引与分配到该频谱的认知用户索引。最后，中央控制器将调度表广播给认知用户。认知用户对授权频谱进行感知，并发送频谱使用请求，由中央控制器依次将频谱分配给每一个认知用户。
(3)  每一个认知用户按照固定的访问次序在频谱上传输数据包。若分配到频谱的认知用户有数据包需要传输，限定认知用户一次传输数据包的数量，即限制最多传输若干个数据包，传输完成后，中央控制器需经过一个定长的转换时间后，将频谱分配给下一个认知用户。若该认知用户没有数据包需要传输，经过一个定长的转换时间，将频谱分配给下一个认知用户。直至频谱分配给最后一个认知用户后，中央控制器再次将频谱分配给第一个认知用户。如此循环往复，实现多个认知用户对频谱资源共享的公平性。
……

结论

(1)  在已有的集中控制频谱分配算法的基础上，提出了新的集中式频谱分配策略，分别为基于单缓存的集中式频谱分配策略、基于多缓存的闸门轮询频谱分配策略和限量轮询频谱分配策略。基于单缓存的集中式频谱分配策略中，所有认知用户共享同一个缓存，最大程度地保护了授权用户的传输权益。基于多缓存的闸门轮询频谱分配策略中，闸门轮询方法保证了认知用户频谱分配的自适应性。而在基于多缓存的限量轮询频谱分配策略中，采用轮询方法为拥有各自缓存的认知用户传输数据包，限定每次传输数据包的数量，保证了认知用户使用频谱的公平性。
(2)  考虑授权用户对频谱使用的抢占优先权，针对基于单缓存的集中式频谱分配策略，建立了服务过程可中断的 Geom/Geom/1 排队模型；针对基于多缓存的闸门轮询频谱分配策略，建立了服务过程可中断的闸门多重休假排队模型；针对基于多缓存的限量轮询频谱分配策略，建立了服务过程可中断的限量多重休假排队模型。相关数学模型的建立为系统的性能分析与参数优化奠定了基础。
(3)  分别采用嵌入马尔可夫链方法及再生循环法，给出相关排队模型的稳态解。针对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、频谱切换率等性能指标的表达式，定量刻画了认知用户系统负载和授权用户到达率对系统性能指标的依赖关系。
(4)  针对所提出的三种集中式认知用户频谱分配策略，分别进行数值实验和系统仿真，揭示了不同性能指标间的折衷关系，通过构造利润函数和成本函数，给出了认知无线电网络中授权用户到达率的优化设计方案。

参考文献（略）