认知无线电系统频谱共享问题研究

摘 要

随着无线通信技术的快速发展，无线用户的数量急剧增加。虽然无线频谱拥有非常大的带宽，但是频谱资源仍然出现了匮乏的状况，并且已经开始制约无线通信技术的发展。如何提高频谱的利用率和研究高效的频谱管理方案成为了当务之急。在这种情况下，认知无线电技术应运而生。认知无线电提出之初被普遍的认为是解决频谱资源缺乏的新思路和好方案，随着研究的深入更加坚定了这个思路的正确性。认知用户利用认知无线电技术感知周围的无线环境，找出“频谱空洞”，进而根据自身的传输需求选择合适的频道进行通信。同时当发现信道环境发生变化或者授权用户接入时,就会切换到其它的可用信道。这样动态的频谱切换能够提高通信质量，并减少对授权相户的干扰，这就是频谱共享。频谱共享技术是认知无线电相同系统中最重要的技术之一。频谱共享技术建立在频谱感知的基础上，根据感知结果调节通信参数来进行可靠的通信，实现认知用户与授权用户的共存和二者间有效的频谱共享。

本论文主要考虑集中式认知无线电网络结构下，认知用户与授权用户之间的频谱共享，各认知用户主要进行非实时业务的数据传输。非实时业务的服务质量(QoS)特性主要包括对时延的要求很低，而对速率和可靠性的要求却很高。在本文中，对非实时业务的这种QoS特点进行了充分的考虑，深入学习并研究了一种有效的频谱共享算法。该算法采用一种改进的调度方案控制各认知用户间的频谱接入，结合自适应传输速率，根据无线链路质量为接入的用户分配带宽。仿真结果表明，该算法可以有效的提高用户传输速率，提升系统的频谱利用率。

关键字：频谱共享,分组调度,非实时业务,自适应传输速率,收益函数

ABSTRACT

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KEYWORDS: cognitive radio; spectrum sharing; packet scheduling; non-real-time services; adaptive transmission rate

目 录

目 录 3

第一章  移动通信 5

1.1移动通信系统的基本概念 5

1.2移动通信系统的发展趋势 6

1.3  认知无线电技术的发展对于移动通信发展的重要意义 7

第二章  认知无线电 9

2.1认知无线电系统 9

2.1.1认知无线电的基本原理 9

2.1.2认知无线电系统的结构分类 10

2.1.4 认知无线电的关键技术 11

2.1.5 认知无线电技术的应用 12

2.2认知无线电需要解决的问题 13

2.3认知无线电网络中频谱共享策略 14

2.3.1频谱共享的概念 14

2.3.2频谱共享的分类 15

2.3.3 频谱共享的挑战性问题 18

2.4国内外研究频谱共享的方法 19

第三章  基于分组调度的频谱共享 21

3.1分组调度 21

3.1.1 分组调度的概述 21

3.1.2 分组调度原理 21

3.1.3 分组调度面临的问题 23

3.1.4 分组调度典型算法 24

3.2 基于分组调度的认知无线电频谱共享 27

3.2.1 基于分组调度的认知无线电频谱共享的意义 27

3.2.2  认知无线电调度主要研究的问题 28

3.2.3  基于分组调度的认知无线电频谱共享研究的模型 29

3.3 基于分组调度的频谱共享的系统实现和仿真设计 29

3.3.1系统实现 30

3.3.2仿真设计 30

3.4仿真结果分析 33

3.4.1仿真环境参数设盖 33

3.4.1 非授权用户平均吞吐量的仿真 33

3.4.3 非授权用户公平性的仿真 35

3.4.4 频谱共享性能仿真 36

第四章 基于分组调度的频谱共享改进算法 38

4.1  问题描述及分析 38

4.2 基于调度的频谱共享方法改进 39

4.2.1  系统模块 39

4.2.2  自适应函数 40

4.2.3 用户调度设计 41

4.2.4  系统收益 43

4.2.5 算法实现 44

4.3 基于调度的频谱共享改进算法的仿真 44

4.3.1 仿真设计 44

4.3.2  仿真结果分析 45

第五章 总结与展望 51

5.1  研究课题总结 51

5.2  研究不足与展望 51

5.3  结束语 52