认知无线电频谱接入与频谱切换技术研究

论文摘要

认知无线电是通过与周围环境交互信息,以感知和利用所处空间中的可用频谱,并限制和降低对授权用户的干扰,提高现有授权频段频谱利用率的一种新兴技术。其中,频谱接入与频谱切换技术作为认知无线电的关键技术受到了学术界和产业界的广泛关注。论文着重研究了频谱空洞的差异对频谱接入与频谱切换技术的影响以及从用户控制信道的接入方法两方面的技术问题。本文分析了频谱空洞的频率、从用户所处无线环境、主从用户间干扰以及从用户业务匹配需求等因素对从用户利用频谱空洞的影响,并提出了相应的解决方案。基于对频谱接入和频谱切换技术的研究,本文提出了认知无线电控制信道的接入方案,该方案可以提高控制信道的可靠性和有效性。本文的主要研究如下：1.本文分析了频谱空洞在被从用户使用的过程中产生的不均匀特性,研究了频谱空洞不均匀性对从用户频谱接入和频谱切换的影响。基于论文对频谱空洞不均匀性的分析,本文提出了基于频谱空洞不均匀性的频谱接入方案。该方案将实现从用户有效地利用频谱空洞的容量作为优化目标,提出了从用户业务需求与频谱空洞容量匹配的原则来控制从用户的频谱接入。经理论推导和仿真分析证明,基于频谱空洞不均匀性的频谱接入方案在保证主用户通信质量的同时可以降低从用户的掉话率,并提高整个频段的频谱利用率。2.本文基于对频谱空洞时变特性的研究,提出了从用户主动切换方案及频谱空洞预留方案用来提高频谱切换的可靠性。在从用户主动切换方案中,从用户根据主用户占用频谱的统计规律预测其检测到的频谱空洞的可用时长,并将频谱空洞的可用时长作为触发切换的依据。当前正在使用的频谱空洞的可用时长较短时,从用户主动进行频谱切换并选择可用时长较长的频谱空洞作为其目标频谱空洞,减少了频谱切换的频度。在频谱空洞预留方案中,从用户通过为频谱切换预留频谱空洞来增加频谱切换的可靠性。仿真和数值分析验证了从用户主动切换方案和频谱空洞预留方案可以有效降低频谱切换掉话率。3.本文在分析频谱空洞不均匀性的基础上,研究了提高控制信道有效性和可靠性的方法,提出了一种快速控制信道接入方案。在该方案中,从用户使用不同频谱空洞依次传递控制信息,通过缩短从用户在每个频谱空洞上停留的时间达到降低控制信息传输时延的目的。该方案提出了从用户短时借用业务信道传输控制信息的方法,有效降低了主用户占用频谱空洞导致从用户控制信道中断的概率。方案优化了控制信道占用资源的比例,提供了更多资源供业务信道使用。仿真分析表明,该方案可以有效减少控制信道建立时间和控制信息传输时延,并且能够有效抵抗由主用户出现造成的控制信道中断。本文的主要贡献在于,在频谱接入与频谱切换技术研究中引入频谱空洞不均匀性的影响,加强了理论研究与潜在工程应用之间的联系。本文首先量化并利用了频谱空洞在频域和空域的差异,实现了匹配从用户业务需求与频谱空洞容量的频谱接入。其次基于频谱空洞时域的不均匀性,本文提出了预测频谱空洞可用时长的从用户主动切换方案和提高频谱切换可靠性的频谱空洞预留方案,从而保证了从用户业务质量。最后本文设计了一种快速控制信道接入方案,该方案降低了控制信息传输时延,提高了控制信道可靠性,进一步提高了频谱接入与频谱切换的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 认知无线电概述
• 1.1.1 认知无线电的产生
• 1.1.2 认知无线电的发展
• 1.1.3 认知无线电的关键技术
• 1.2 认知无线电频谱接入与频谱切换技术研究现状与挑战
• 1.2.1 频谱接入与频谱切换技术的主要研究内容
• 1.2.2 频谱接入与频谱切换技术的研究现状
• 1.2.3 频谱接入与频谱切换技术面临的挑战
• 1.3 论文的研究场景及假设
• 1.4 论文的创新性
• 1.5 论文的组织结构
• 1.6 本章小结
• 参考文献
• 第二章 基于频谱空洞不均匀性的频谱接入技术
• 2.1 引言
• 2.2 频谱空洞不均匀性分析
• 2.2.1 频谱空洞的频率
• 2.2.2 从用户的无线传播环境
• 2.2.3 主从用户间干扰
• 2.2.4 从用户的业务匹配需求
• 2.3 基于频谱空洞不均匀性的接入方案
• 2.3.1 频谱空洞的容量计算
• 2.3.1.1 信道容量数值分析
• 2.3.1.2 频谱空洞容量理论值计算
• 2.3.2 基于频谱空洞不均匀性的接入方案
• 2.4 基于频谱空洞不均匀性的接入方案验证
• 2.4.1 仿真场景设置
• 2.4.2 对比方案说明
• 2.4.3 仿真结果分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于频谱切换的从用户通信质量保证技术
• 3.1 基于时域匹配的从用户主动切换方案
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 系统模型及假设
• 3.1.3 从用户主动切换方案
• 3.1.4 方案性能分析
• 3.2 频谱空洞预留方案
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 系统模型
• 3.2.3 频谱空洞预留方案
• 3.2.4 数值分析
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 从用户控制信道接入技术
• 4.1 引言
• 4.2 从用户控制信道接入方案
• 4.2.1 控制信息传输机制
• 4.2.2 异步从用户信号冲突识别方法
• 4.2.3 从用户控制信道选择方法
• 4.3 仿真结果分析
• 4.3.1 网络建立时间
• 4.3.2 非理想条件下的正确传输概率
• 4.3.3 控制信道中断概率
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结及展望
• 5.1 总结
• 5.2 后续工作
• 附录 与更新过程相关的定义和定理
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及专利