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基于频谱感知的MAC层参数优化的研究

作　者: 李红将
导　师: 朱琦
学　校: 南京邮电大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 认知无线电 MAC接入频谱利用率信道切换折中
分类号: TN925
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

为了提高频谱资源的利用率,认知无线电(CR: Cognitive Radio)已成为当前的研究热点。认知用户(即次用户)通过动态频谱接入的方法与授权用户(即主用户)共享频谱资源,同时认知用户通过对频谱周期性的检测来发现可利用的空闲频谱。为了避免对授权用户的干扰,频谱感知的性能则至关重要。在充分保护授权用户通信基础上,最大化认知系统对频谱的利用率是本文的研究重点。本文介绍了认知系统模型中频谱检测的约束条件,研究了基于能量检测的检测时间优化算法。以最小化认知用户的平均信道搜索时间为目标对信道搜索检测时间进行优化,且在信道搜索时间取最短情况下,分析周期检测时间来最大化认知用户的频谱利用率。仿真结果表明存在最优的搜索检测时间来最小化信道搜索时间以及最优的周期检测时间来最大化频谱利用率。在单信道场景下,本文基于认知用户在一个检测周期内的数据发送时间的业务模型,推导出单用户单信道与多用户单信道情况下认知系统对频谱的利用率以及认知用户与授权用户碰撞率的表达式。在认知用户与授权用户的碰撞率约束下,给出了最优数据传输时间来最大化频谱利用率的目标函数。且在单用户单信道情况下,通过泰勒近似得到最优的数据传输时间的闭合解;多用户竞争单信道情况下,考虑到认知用户之间的碰撞,引入MAC接入技术来控制认知系统接入单个信道的用户数。仿真结果表明存在最优的数据传输时间使得频谱利用率最大,且多用户竞争接入信道时,MAC接入技术可以很好的提高频谱利用率以及控制认知用户与授权用户的碰撞率,可以折中考虑认知系统的频谱利用率与用户数的关系。在多信道场景下,假设多个用户通过竞争后可以独占多个信道,为了利用更多的空闲频谱,认知用户对所有信道都进行周期检测。本文分析优化了检测周期向量来最大化认知用户对空闲信道的利用率,给出了空闲频谱利用率的数学推导过程。当频谱池为空且认知用户必须切换信道时,分析了三种不同的信道搜索序列,通过定义开销时延比来分析认知用户的信道切换时延与信道搜索开销的折中问题。仿真分析表明存在最优的检测周期向量来最大化空闲频谱利用率,在相同的信道搜索等待时间情况下,认知用户的信道切换时延随着用户数的增多而不断减小。认知用户根据系统对实时性与检测开销的要求,通过分析开销时延比来选取合适的等待时间。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
缩略语  6-9
第一章绪论  9-16
  1.1 引言  9
  1.2 研究背景  9-11
    1.2.1 认知无线电的定义和特点  9-11
    1.2.2 认知无线电的研究现状  11
  1.3 认知无线电的关键技术  11-14
    1.3.1 频谱检测技术  12-13
    1.3.2 信道状态估计和容量预测  13
    1.3.3 功率控制和频谱管理  13-14
  1.4 关于本课题的研究  14-16
    1.4.1 课题来源  14
    1.4.2 研究内容  14-15
    1.4.3 论文内容结构安排  15-16
第二章认知无线电的频谱感知与接入  16-29
  2.1 引言  16
  2.2 物理层频谱感知技术  16-23
    2.2.1 发射机检测  17-19
    2.2.2 协作检测  19-21
    2.2.3 基于干扰检测  21-22
    2.2.4 面临的需求和挑战  22-23
  2.3 MAC层接入控制技术  23-27
    2.3.1 MAC层频谱检测管理  23-25
    2.3.2 MAC层接入控制  25-26
    2.3.3 MAC层动态频谱分配  26-27
    2.3.4 MAC层安全机制  27
  2.4 本章小结  27-29
第三章基于能量检测的检测时间优化  29-40
  3.1 引言  29
  3.2 频谱检测中的约束条件  29-32
    3.2.1 系统模型  30-31
    3.2.2 干扰范围和检测灵敏度  31-32
    3.2.3 检测周期  32
  3.3 基于能量检测的频谱感知  32-34
  3.4 频谱检测优化方法  34-36
    3.4.1 平均信道搜索时间  34-35
    3.4.2 频谱利用率  35-36
  3.5 仿真与分析  36-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章基于干扰约束的检测周期优化  40-58
  4.1 引言  40-41
  4.2 系统模型  41-43
  4.3 认知用户周期性接入分析  43-49
    4.3.1 单用户单信道  43-46
    4.3.2 多用户单信道  46-49
    4.3.3 MAC接入控制  49
  4.4 仿真与分析  49-56
    4.4.1 理论仿真与实际仿真  50-51
    4.4.2 上界分析  51-52
    4.4.3 多用户接入  52-54
    4.4.4 MAC接入控制分析  54-56
    4.4.5 系统折中分析  56
  4.5 本章小结  56-58
第五章多信道的认知MAC优化  58-72
  5.1 引言  58
  5.2 系统模型  58-61
    5.2.1 信道占用模型  59
    5.2.2 空洞利用模型  59-60
    5.2.3 研究目的  60-61
  5.3 最大的频谱利用率  61-65
    5.3.1 数学建模  61-62
    5.3.2 函数分析  62-65
  5.4 信道切换时延  65-66
    5.4.1 最优信道搜索序列  65-66
    5.4.2 等待时间选取  66
  5.5 系统仿真与分析  66-71
    5.5.1 频谱利用率  67-68
    5.5.2 信道切换时延  68-71
  5.6 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 全文工作总结  72-73
  6.2 进一步研究工作的展望  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-78
攻读硕士学位期间发表的论文及参加的项目  78

基于频谱感知的MAC层参数优化的研究

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