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多跳认知无线电网络频谱管理与选路策略研究

作　者: 程赓
导　师: 杨宗凯
学　校: 华中科技大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 认知无线电技术自组织网络频谱管理按需路由调度邻域协作
分类号: TN92
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 3次
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内容摘要

认知无线电技术可以使未经授权的无线通信设备主动发现和合理利用专用授权频段的空闲频谱资源,既能大幅提高频谱利用率,又能有意识地选择合适的工作频带,避免传输中的干扰和冲突,从而提高通信效率。因此认知无线电技术能够缓解开放频谱资源匮乏和大量专用授权频谱利用率低下的矛盾。多跳认知无线电网络是由多个具有认知无线电收发机的网络节点以自组织的形式组建而成的无线网络。它与传统无线多跳网络的区别在于:传统无线网络基于固定频段通信,而认知网络节点具有动态频谱接入特性,网络通信基于特定时间、特定区域、特定使用规则约束下的可用频段集合。认知无线电网络能够从根本上改善无线频谱资源利用不均匀的现状,是未来无线通信产业的发展方向,正逐渐通过标准化进入产业领域。本文的研究基于多数据流共存的多跳认知无线电网络场景。考虑到多跳认知无线电网络具有频谱异构性、控制频段选择的复杂性、可用频段的变化性以及节点间所见频谱机会的差异性,本文着重讨论了以下三个挑战:1.因为认知无线电网络的动态频谱特性,网络节点在处理多个数据流的时候会不断改变自己的工作频段。不同的数据流服务顺序会影响认知网络节点的频谱切换顺序,进而影响节点的转发效率。2.多跳认知无线电网络使用多频段通信,使网络拓扑结构处于变化之中。选路策略需要同时确定节点的空间位置和工作频段,才能形成有效的多跳路由。另一方面,多跳路径上节点不同的频谱分配方案以及网络中的其他数据流都会对多跳路径的传输效率产生影响。3.在多数据流共存的多跳认知无线电网络中,数据流交叉节点会因为不断改变工作频段去转发多条数据流而引起处理能力下降、负载增加,形成网络瓶颈。邻域节点没有有效的协作机制,导致交叉节点邻域频谱使用不能适应多数据流传输的要求。针对上述问题,本文从点、线、面三个步骤研究多跳认知无线电网络的频谱管理与选路策略:(1)节点频谱切换调度策略;(2)认知无线电网络按需选路策略;(3)认知无线电网络邻域路由策略,取得的研究成果包括以下几个方面:1.网络节点多频段调度策略:分析了网络节点在处理多数据流转发时的性能变化,指出多种时延的存在与成因,提出包含多频段调度模块的节点分析模型,并设计了“扫描活跃频段”的多频段多数据流调度方案,有效降低了节点处理多数据流带来的额外时延,提高了节点转发效率。2.认知无线电网络频谱分配与按需选路联合策略:针对多跳认知无线电网络自组织、动态频谱接入的特点,设计了一种频谱分配与按需路由联合协议,在选路的同时确定路径每一跳使用的频段。综合考虑了其他数据流和沿途不同频谱分配对多跳路径造成的多种时延,并给出了该协议的路由度量标准。相比于现有其他路由方法,本策略所得到的多跳路径具有更好的传输性能。3.认知无线电网络中继节点邻域路由策略:考察多条数据流交汇处节点的处理能力,分析路由协议选择中继节点的局限性和形成认知无线电网络瓶颈的可能性。通过对中继节点的排队系统建模分析形成衡量节点处理负载的度量,并设计了基于邻域节点协作的数据流重定向机制,有效的将过载节点的任务分布到它的轻载邻居节点,从而大幅提高网络转发效率,有效避免网络瓶颈的形成。以上工作得到了国家自然科学基金项目“自组织认知无线电网络关键技术研究”(No. 60602029)、“可重构MIMO的无线传感器网络信息处理与传输”(No.60572049)以及湖北省智能互联网技术重点实验室开放基金项目“自组织认知无线电网络关键技术研究”(No. HSIT200605)的资助。本文的研究成果形成了处理多数据流共存的多跳认知无线电网络中的频谱管理与选路问题的解决框架,对于处理无线通信网络的频谱资源紧张、网络覆盖盲区、异构网络协作等领域都具有很好的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-27
  1.1 认知无线电技术概述  11-20
  1.2 认知无线电网络  20-23
  1.3 选题背景与研究意义  23-24
  1.4 研究内容与本文组织  24-27
2 认知无线电网络关键技术概述  27-45
  2.1 认知无线电网络的体系结构  27-32
  2.2 与认知无线电网络相关的协议标准  32-37
  2.3 频谱分配技术概述  37-40
  2.4 选路技术概述  40-44
  2.5 本章小结  44-45
3 认知节点频谱切换调度策略  45-64
  3.1 频谱管理概述  45-46
  3.2 研究场景与问题描述  46-49
  3.3 认知网络节点模型  49-55
  3.4 多频段调度模块的建模分析  55-56
  3.5 性能评估  56-62
  3.6 本章小结  62-64
4 多跳认知网络按需选路策略  64-86
  4.1 认知无线电技术对选路策略的挑战  64-67
  4.2 现存多跳认知无线电网络的选路策略分析  67-70
  4.3 研究场景与问题描述  70-72
  4.4 按需路由策略设计  72-81
  4.5 性能评估  81-85
  4.6 本章小结  85-86
5 多跳认知网络邻域路由策略  86-103
  5.1 问题描述与研究动机  86-88
  5.2 认知无线电网络中继节点邻域路由策略框架  88-89
  5.3 路由交叉节点处理代价建模分析  89-94
  5.4 基于邻域交互的数据流重定向  94-98
  5.5 性能评估  98-101
  5.6 本章小结  101-103
6 总结与展望  103-107
  6.1 本文总结  103-104
  6.2 对后续工作的展望  104-107
致谢  107-108
参考文献  108-119
附录攻读博士学位期间相关专利及论文目录  119-120

多跳认知无线电网络频谱管理与选路策略研究

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