基于认知无线电的动态频谱管理理论及相关关键技术研究

随着无线通信的飞速发展,无线频谱的需求量正在急剧增加。大量测试结果表明,目前的静态频谱分配方式凸现出来频谱效率低下的弊端,使得人们纷纷开始探索新的频谱管理方式,认知无线电(Cognitive Radio,CR)技术的发展促进了动态频谱管理(DynamicSpectrum Management,DSM)思想的产生。基于CR的DSM策略,建立在灵活的动态频谱接入(Dynamic Spectrum Access,DSA)机制基础之上,实现不同无线电系统频谱资源的有效共享和动态规划。DSM技术可以突破无线通信发展中频谱资源受限的瓶颈问题,具有重要的理论和现实意义。 论文采用理论仿真和实际测量相结合的方法,主要围绕新型DSA策略、频谱移动性对CR网络性能的影响、CR网络和授权网络的干扰共存特性、以及频谱测量和深度分析几方面内容进行了研究,开展的主要创新性工作如下: (1)提出了一种新的DSA策略 该策略建立在频谱池的基础之上,较即时接入方式有较高的接入效率。研究了频谱池的最佳容量和频谱池更新时间,发现了最佳容量和系统效率之间的定量关系,提出了频谱池在授权频段和非授权频段不同的动态更新策略。通过仿真得到了两种频段内的频谱池动态平均更新时间。 (2)提出了频谱移动性分析的新方法 该方法遵循频谱移动、频谱切换、通信中断的逻辑思路,建立了频谱切换的时间关系模型,得出了CR用户频谱切换概率次数公式和通信中断概率公式;研究了不同频谱切换方式对CR业务通信中断造成的影响;与以往研究CR业务通信中断问题不同的是,通过设计合理的切换策略,本文认为只有频谱切换超过一定次数后才会产生通信中断,进而降低了CR业务的通信中断概率。 (3)研究了WRAN和DTV系统共存时的若干问题 首先对无线区域网(Wireless Regional Area Network,WRAN)本身网络结构、系统参数和自共存机制进行了研究,仿真验证了WRAN重叠覆盖区基站(Base Station,BS)之间同步的收敛性能;接着设计了一种分析WRAN BS干扰数字电视(Digital TV,DTV)接收机的共存场景,通过研究发现了一些干扰控制的临界值,这些临界值对于WRAN的设计和部署具有指导性意义。 (4)提出了频谱测量与分析的新方法 针对以前频谱测量工作存在的不足,本文提出了多点同时广域频谱测量方法,测量工作持续了一周的时间,同时考虑了测量地点的选取和频谱授权业务之间的相关性;对测量得到的海量数据进行了数据挖掘和深度分析,提出了使用信道空闲时间(Channel VacancyDuration,CVD)和业务拥塞率(Service Congestion Rate,SCR)进行信道分析的方法,研究了频谱之间的时间、空间、和频率三维立体的相关性,发现了信道状态和历史信息的关联性,为CR用户的信道建模、频谱分析和决策提供了科学的理论依据。 本文研究了CR网络中DSM不同层面的若干问题,力争为提高频谱效率和解决CR网络面临的新挑战提供基础性的研究成果。CR技术与未来泛在无线网络的融合将成为作者下一步研究的重点领域。