基于頻譜感知的跨層機會認知路由決策研究.pdf

1、本文基于目前無線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源緊缺和利用率低下的現(xiàn)狀，針對認知無線自組網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜電磁環(huán)境及相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，考慮認知無線網(wǎng)絡(luò)可用頻譜的高動態(tài)特性，以跨層協(xié)同思想為指導，將信道選擇策略與路由選擇技術(shù)相結(jié)合，將物理層的頻譜感知技術(shù)、MAC層的調(diào)度機制與網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)相聯(lián)合進行跨層設(shè)計及優(yōu)化，提出了基于雙次協(xié)同頻譜感知的機會認知路由策略以提高認知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜的使用效率和可靠高效的傳輸能力。理論分析和仿真結(jié)果表明本文所提出的方案能夠有效提高認知無線

2、自組織網(wǎng)絡(luò)端到端的服務(wù)質(zhì)量和頻譜利用率。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴針對無線電磁環(huán)境非常惡劣的認知Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，提出雙次協(xié)同頻譜感知模型（Dual Collaborative Spectrum Sensing，DCSS）和適應(yīng)此新模型動態(tài)變化特性的動態(tài)可變時分多址接入（Dynamic and Variable Time-Division Multiple-Access，DV-TDMA）調(diào)度機制以進行跨層協(xié)作；推導出了平均感知時

3、間的閉合表達式，給出了微時隙長度的臨界范圍，提出了平均感知時間的優(yōu)化算法，并通過理論分析和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，相比于單次協(xié)同感知方法，在保證平均感知錯誤率小于1％的條件下，所提協(xié)同感知方法及其優(yōu)化算法可有效縮短頻譜感知時間約11.5%。
　?、漆槍φJ知無線網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)同的開放性問題，研究了機會頻譜接入的跨層優(yōu)化算法。結(jié)合應(yīng)用層的QoS需求，給出了物理層雙次協(xié)同頻譜感知方法和媒體訪問控制子層的DV-TDMA感知調(diào)度機制跨層協(xié)作的多

4、目標優(yōu)化算法，以提高受限于陰影衰落和或隱藏終端的認知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜感知的準確度、時效性和通信吞吐量，并給出能量檢測閾值和可實現(xiàn)吞吐量的優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，所提算法在保證網(wǎng)絡(luò)平均檢測錯誤率小于1%的條件下，通過聯(lián)合優(yōu)化選擇分散在物理層和媒體訪問控制子層的特性參數(shù)，如能量檢測閾值、參與協(xié)同認知用戶數(shù)和時隙長度等，相比于沒優(yōu)化的雙次協(xié)同感知方案和單次協(xié)同感知方案，可獲得較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　?、轻槍Χ嘈诺蓝嗵J知無線Ad hoc自組織

5、網(wǎng)絡(luò)中路由的不穩(wěn)定性問題，對認知路由技術(shù)和協(xié)同頻譜感知技術(shù)的跨層設(shè)計進行了研究?？紤]到認知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中頻譜的高動態(tài)性以及陰影衰落和隱藏終端等射頻環(huán)境問題，將物理層的頻譜感知技術(shù)和媒體訪問控制子層的調(diào)度機制緊密融合到網(wǎng)絡(luò)層的路由決策中，提出了基于雙次協(xié)同頻譜感知的認知機會路由協(xié)議（Dual Collaborative Spectrum Sensing Opportunistic Cognitive Routing，DCSS-OC

6、R），對路由發(fā)現(xiàn)和路由選擇策略進行了設(shè)計，旨在提高認知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由發(fā)現(xiàn)和建立的機會。首先，構(gòu)建了基于DCSS頻譜感知理論的路由發(fā)現(xiàn)模型，聯(lián)合考慮了頻譜感知準確性、鏈路可用性和最短路徑因素建立認知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)空間上可達、頻域上連通的有效路由；其次，提出下一跳前傳節(jié)點，最優(yōu)信道和路徑的選擇方法，以滿足認知無線網(wǎng)絡(luò)路由穩(wěn)定性目標；最后，給出評估路由路徑質(zhì)量的有關(guān)度量數(shù)學閉合表達式，如鏈路可用性概率、路徑接入概率，期望鏈路平

7、均傳輸延遲和端到端平均傳輸延遲，并給出相關(guān)推導證明。
　?、纫罁?jù)DCSS-OCR路由決策的有關(guān)度量，對多信道多跳認知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由性能從準確性和最優(yōu)性角度進行仿真分析和評估，并提出路由度量的優(yōu)化方案。首先，利用數(shù)值分析方法和Monte Carlo仿真驗證了鏈路接入機會，鏈路平均傳輸延遲和路徑平均傳輸延遲表達式的正確性；其次，仿真分析了主用戶活動對路由接入機會、中斷概率和平均傳輸延遲的影響，仿真結(jié)果表明，本文所提 DCSS