认知无线网络中混合式信道访问策略的研究

论文摘要

随着移动互联网、物联网等新兴无线通信技术的涌现，传统的静态信道访问方式的局限性越发明显。认知无线网络作为一种解决无线网络通信中信道资源短缺的重要技术手段，得到广泛的关注。本文针对两种不同的网络环境，分别提出相应的信道访问策略，并对系统性能进行了分析及优化。首先，针对认知无线网络中的非实时业务，考虑集中式信道访问可以实现全局优化，分布式信道访问具有更好灵活性的特点，引入随机退避和控制中心调度的协作机制，提出一种混合式信道访问策略HCAS（Hybrid ChannelAccess Strategy）。假设主网络中只存一个授权用户及其所属的一组授权信道，基于系统中授权用户和认知用户分别占用的信道个数，建立一个二维Markov模型。在认知用户理想感知的前提下，给出系统的转移概率矩阵，并进行系统模型的稳态分析。导出HCAS策略下的信道利用率、认知用户中断率及阻塞率等系统性能指标的表达式。其次，在HCAS策略的基础上，考虑主网络上包含具有不同业务通信特征的两个授权用户及其对应的两组授权信道，且赋予认知用户组间切换功能，提出一种带有组间切换的混合式信道访问策略GS-HCAS（Group Switch-Hybrid Channel AccessStrategy）。基于当前时隙两组授权信道分别传输的授权用户数据包的数量，以及两组信道中认知用户数据包的总量，建立一个三维Markov模型。构建系统的转移概率矩阵，通过系统模型的稳态分析，针对GS-HCAS策略，导出认知用户的阻塞率、数据丢失率及平均响应时间等性能指标的表达式。最后，通过数值实验和系统仿真，定量刻画了系统中认知用户容量和认知用户退避时间分别对HCAS、GS-HCAS两种策略的系统性能的影响。根据实验结果揭示出的折中关系，针对认知用户容量，对HCAS策略进行优化，以获得最大的系统收益值；针对认知用户退避时间，对GS-HCAS策略进行优化，以获得最低的系统成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第2章 认知无线网络相关知识
• 2.1 认知无线网络概述
• 2.2 认知无线网络关键技术
• 2.2.1 信道感知与物理层传输技术
• 2.2.2 无线资源管理技术
• 2.2.3 路由技术与传输层协议
• 2.2.4 跨层设计及优化
• 2.2.5 网络安全
• 2.3 几种典型的认知无线网络
• 2.4 接入控制与信道分配技术
• 2.4.1 接入控制技术
• 2.4.2 信道分配技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 HCAS 策略与性能分析
• 3.1 HCAS 策略的工作机制
• 3.2 模型的建立及稳态分析
• 3.2.1 二维 Markov 链模型的建立
• 3.2.2 状态转移概率矩阵
• 3.2.3 稳态概率分布
• 3.3 HCAS 策略的性能指标体系
• 3.3.1 信道利用率
• 3.3.2 认知用户中断率
• 3.3.3 认知用户阻塞率
• 3.3.4 平均响应时间
• 3.4 本章小结
• 第4章 GS-HCAS 策略及性能分析
• 4.1 GS-HCAS 策略的工作机制
• 4.1.1 系统的数据结构
• 4.1.2 授权用户的接入过程
• 4.1.3 认知用户的接入过程
• 4.1.4 用户行为更新过程
• 4.2 模型的建立及解析
• 4.2.1 三维 Markov 模型的建立
• 4.2.2 无中断条件下系统的状态转移分析
• 4.2.3 状态转移过程中的中断概率分析
• 4.2.4 系统的稳态分析
• 4.3 系统性能分析
• 4.3.1 信道利用率
• 4.3.2 数据丢失率
• 4.3.3 认知用户阻塞率
• 4.3.4 平均响应时间
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验分析与系统优化
• 5.1 系统仿真算法
• 5.1.1 HCAS 策略的仿真算法
• 5.1.2 GS-HCAS 策略的仿真算法
• 5.2 系统实验与系统优化
• 5.2.1 HCAS 策略的系统实验与优化
• 5.2.2 GS-HCAS 策略的系统实验与优化
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介