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认知无线Mesh网络若干关键技术研究

作　者: 仵国锋
导　师: 胡捍英
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 认知无线Mesh网络信道检测认知信道吞吐量 Hyacinth模型信道分配路由协作频谱感知信任机制多输入多输出
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,无线通信技术飞速发展。较之有线通信,从通信线路架设的周期、成本,通信覆盖范围,所受地理环境限制以及线路维护是否便利等方面综合考虑,无线通信在绝大多数应用场合均表现出了极大的优势,已成为信息通信领域发展最快、应用最广的支撑技术。随着人们对无线通信质量、业务种类以及数量需求的日益增加,网络模式越来越复杂,无线频谱资源越来越宝贵,如何在有限的资源下,最大限度地满足人们的通信需求,已成为通信领域各国专家关注的焦点问题。无线Mesh网是一种新型的宽带无线网络,具有不同于传统无线网络的特点,在灵活组网、提高网络覆盖率、增加网络容量、减少前期投资等诸多方面都显现出较大的优势,尤其适合在缺乏有线网络资源情况下实现宽带无线接入和覆盖。传统的固定频谱分配策略导致现有很多无线系统的频谱资源在时间和空间上存在不同程度的闲置,认知无线电技术能够通过动态频谱接入充分利用空闲的频谱资源,有效解决无线通信频谱资源匮乏的难题,成为当前的研究热点。将认知无线电和宽带无线Mesh网络相结合,可以建立一种具有认知能力的新型宽带无线网络,称为认知无线Mesh网络。认知无线Mesh网络在有效融合异构网络和提高无线资源利用效率方面具有巨大潜力,成为未来网络有希望的候选方案。本文在对认知无线Mesh网络的基本概念、特点、网络架构和相关技术研究现状进行深入阐述的基础上,针对认知无线Mesh网络实现的关键技术展开研究,主要工作如下:1.在提出认知信道吞吐量概念的基础上,以认知信道吞吐量最大化为目标,对认知无线Mesh网络的信道检测技术展开研究。首先针对理想感知的多信道检测,提出并深入分析了两种简单实用的检测方法:基于信道空闲概率递减的检测方法和基于信道传输速率递减的检测方法。其次,对于非理想感知的信道检测,证明了最佳感知时间的唯一存在性,给出了最佳感知时间的搜索算法,并对单用户感知和协作感知的最佳感知时间和认知信道吞吐量性能进行了仿真分析,结果表明随着协作节点的增加,最佳感知时间减少而认知信道吞吐量增加。最后研究了在协作感知的多信道并行检测中,参与协作的多个认知节点的最佳分配问题,提出了一种低复杂度的基于贪婪搜索的分布式算法,通过认知节点在各个信道的合理分配获得最大的认知信道和吞吐量,从而提高整体检测性能。2.研究了认知无线Mesh网络的信道分配和路由技术。基于认知节点的传输对授权用户的干扰不得超出一定限制的约束,给出了认知无线Mesh网络中可用信道的定义和可用信道集合的计算方法。对认知无线Mesh网络中进行信道分配和路由度量准则问题进行了研究,给出了一些适应其网络特点的准则。针对认知无线Mesh网络可用信道动态变化的特点,提出了一种基于Hyacinth模型的路由和信道分配联合策略,依据节点传输功率动态变化和通信距离时变情况建立频谱感知路由树,并自适应地进行信道分配和更新,降低可用信道变化对网络性能的影响。仿真结果表明,该策略能够充分利用可用信道来提高网络吞吐量。3.研究了采用MIMO技术的认知无线Mesh网络的信道和空间自由度联合分配技术。在认知无线Mesh网络中,采用CR技术可以在信道级别提高频谱利用率,而MIMO技术通过空时处理,能够在同一信道的条件下提高通信链路的容量。本文深入阐述了CWMN-MIMO系统的数据传输、干扰抵消、信道分配和空间自由度分配的基本概念和基本原则,建立了CWMN-MIMO系统的信道和空间自由度联合分配的数学模型,提出了一种结合路由选择的信道和空间自由度联合分配算法,以最大化链路容量为准则,综合考虑最小化资源占用和负载平衡,利用最宽最短路由算法选择各网络会话的最优传输路径,然后根据传输路径确定的激活节点,联合优化信道和空间自由度分配。结果表明,该算法通过在信道级别利用CR特性和在信道内利用MIMO特性的联合优化获得更大的容量增益。4.研究了认知无线Mesh网络的安全技术。针对认知无线Mesh网络的特性和面临的安全威胁,建立了基于信任机制的认知无线Mesh网络安全模型。针对协作频谱感知容易受到恶意节点攻击的情况,提出了一种基于信任机制的协作频谱感知策略,由融合中心为各节点分配信任值,依据各节点的本地检测结果和全局判决的一致性检验进行信任值更新,并根据各节点信任值将其分为恶意节点、未定节点和信任节点,分别采用不同的信息融合处理方式以消除恶意节点的影响,增加协作感知的安全性。作为一种动态的主动安全策略,入侵检测能够为网络提供有力的安全保障。本文将信任机制引入具备入侵检测的认知无线Mesh网络,给出了一种基于入侵检测的信任建立模型,提出了一种信道分配和路由策略,通过选择可信节点和为相邻节点分配具有高信任度的传输信道来建立可信路由,并根据网络安全状态动态调整信道分配和路由,避开可疑节点和不安全的信道,有效提高了数据包的安全递交率。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-10
缩略词索引  10-12
摘要  12-14
ABSTRACT  14-17
第一章绪论  17-45
  1.1 研究背景  17-18
  1.2 认知无线电  18-21
    1.2.1 理想认知无线电  18
    1.2.2 频谱感知认知无线电  18-19
    1.2.3 认知无线电网络  19-21
  1.3 无线Mesh 网络  21-23
  1.4 认知无线Mesh 网络  23-41
    1.4.1 认知无线Mesh 网络的概念  24
    1.4.2 认知无线Mesh 网络的网络结构  24-26
    1.4.3 认知无线Mesh 网络的特点  26-28
    1.4.4 认知无线Mesh 网络的研究现状  28-41
  1.5 论文主要工作  41-43
  1.6 论文结构安排  43-45
第二章认知无线Mesh 网络的信道检测技术研究  45-77
  2.1 引言  45-46
  2.2 系统模型  46-49
    2.2.1 网络结构  46
    2.2.2 信道使用模型  46-47
    2.2.3 频谱检测方法  47-49
  2.3 理想感知的信道顺序检测技术研究  49-58
    2.3.1 顺序检测过程  50-51
    2.3.2 认知信道吞吐量  51-52
    2.3.3 基于信道空闲概率递减的检测方法  52-53
    2.3.4 基于信道传输速率递减的检测方法  53-55
    2.3.5 仿真及性能分析  55-58
  2.4 非理想感知的信道检测技术研究  58-70
    2.4.1 非理想感知的认知信道吞吐量  59-60
    2.4.2 非理想感知的最佳感知时间  60-64
    2.4.3 非理想感知的协作检测技术  64-70
  2.5 协作感知的多信道并行检测技术研究  70-75
    2.5.1 问题描述  71-72
    2.5.2 基于贪婪搜索的分布式算法  72-73
    2.5.3 仿真及性能分析  73-75
  2.6 本章小结  75-77
第三章认知无线Mesh 网络的信道分配和路由技术研究  77-94
  3.1 引言  77-78
  3.2 认知无线Mesh 网络的可用信道  78-81
    3.2.1 可用信道的定义  78-80
    3.2.2 可用信道集合计算方法  80-81
  3.3 认知无线Mesh 网络的信道分配和路由度量准则  81-84
    3.3.1 信道分配准则  81-83
    3.3.2 路由度量准则  83-84
  3.4 基于Hyacinth 模型的路由和信道分配算法  84-93
    3.4.1 网络模型  84-86
    3.4.2 算法思想  86
    3.4.3 频谱感知路由树  86-90
    3.4.4 信道分配  90-91
    3.4.5 仿真及性能分析  91-93
  3.5 本章小结  93-94
第四章 CWMN-MIMO 系统的信道和空间自由度联合分配技术研究  94-117
  4.1 引言  94-95
  4.2 若干概念  95-101
    4.2.1 CWMN 的传输与干扰  95-96
    4.2.2 干扰消除的自由度分配策略  96-98
    4.2.3 节点优先级对自由度分配的影响  98-99
    4.2.4 CWMN-MIMO 系统的信道和空间自由度联合分配  99-101
  4.3 算法描述  101-106
    4.3.1 数学建模  101-104
    4.3.2 算法简化  104-106
  4.4 仿真及性能分析  106-115
  4.5 本章小结  115-117
第五章基于信任机制的认知无线Mesh 网络安全技术研究  117-136
  5.1 引言  117
  5.2 信任建立机制  117-120
  5.3 基于信任机制的安全协作频谱感知方法  120-127
    5.3.1 算法描述  121-123
    5.3.2 信任管理机制  123-124
    5.3.3 仿真及性能分析  124-127
  5.4 基于信任机制的信道分配和路由算法  127-134
    5.4.1 基于入侵检测的信任建立模型  128-131
    5.4.2 信道分配和路由算法  131-132
    5.4.3 仿真及性能分析  132-134
  5.5 本章小结  134-136
第六章全文总结  136-140
  6.1 论文工作总结  136-138
  6.2 可进一步研究的问题  138-140
参考文献  140-153
作者简历攻读博士学位期间完成的主要工作  153-156
致谢  156

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