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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

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论文说明:图表目录

声明

第一章 引言

1.1 选题背景和研究意义

1.1.1 动态频谱管理思想的产生

1.1.2 认知无线电是实现动态频谱管理的技术基础

1.1.3 本论文研究的意义

1.2 认知无线电技术的研究现状

1.2.1 国外的研究现状

1.2.2 国内的研究现状

1.3 本论文的研究定位

1.4 本论文的主要创新点

1.5 主要研究内容和章节安排

本章参考文献

第二章 认知无线电系统的关键技术

2.1 认知无线电设备的物理结构

2.2 认知无线电的基本任务

2.3 认知无线电的关键技术

2.3.1 频谱感知

2.3.2 信道状态估计

2.3.3 功率控制

2.3.4 频谱管理

2.3.5 认知无线网络与授权网络的干扰共存

2.3.6 认知无线电网络的跨层设计

2.4 本章小结

本章参考文献

第三章 认知无线网络中的动态频谱接入策略

3.1 几种新的频谱使用模型

3.1.1 频谱池

3.1.2 FCC的专属模型和共用模型

3.1.3 DIMSUMnet

3.1.4DRiVE/OverDRiVE

3.1.5 CORVUS系统

3.1.6 Nautilus项目

3.1.7 OCRA网络

3.1.8 干扰温度多址

3.1.9 DARPA XG项目

3.2 基于频谱池的动态频谱接入策略

3.2.1 动态频谱接入技术研究现状

3.2.2 频谱接入的即时策略和频谱池策略

3.2.3 业务模型

3.2.4 频谱池容量的优化

3.2.5 频谱池更新策略

3.3 数值结果及讨论

3.3.1 两种接入策略的对比

3.3.2 频谱池容量优化结果

3.3.3 频谱池更新时间

3.4 本章小结

本章参考文献

第四章 认知无线网络中频谱移动性能研究

4.1 概述

4.2 频谱切换概率

4.2.1 一些前提

4.2.2 切换概率计算

4.3 频谱切换对通信中断的影响

4.3.1 切换策略

4.3.2 频谱池切换策略对认知设备的要求

4.3.3 认知用户的通信中断概率

4.4 数值结果及讨论

4.4.1 频谱移动速率对切换概率的影响

4.4.2 频谱移动性对通信中断概率的影响

4.5 本章小结

本章参考文献

第五章 认知无线网络与授权网络的干扰共存性研究

5.1 WRAN系统

5.1.1 WRAN的拓扑结构

5.1.2 WRAN的容量和覆盖

5.2 WRAN的自我共存

5.2.1 MAC层的频谱管理

5.2.2 频谱测量与静默期同步

5.2.3 网络接入与超帧同步

5.2.4 超帧同步与CBP协议

5.2.5 基站覆盖重叠的同步机制

5.2.6 数值结果及讨论

5.3 WRAN与授权系统的干扰共存

5.3.1 共存场景

5.3.2 干扰分析

5.3.3 系统模型

5.3.4 系统参数

5.3.5 数值结果及讨论

5.4 本章小结

本章参考文献

第六章 频谱测量与数据分析

6.1 本文测量和分析的特点

6.2 数据采集和预处理

6.2.1 数据采集

6.2.2 预处理

6.3 信道空闲持续时间分布

6.4 务拥塞率分析

6.5 频谱相关性分析

6.5.1 时间相关性

6.5.2 频率相关性

6.5.3 空间相关性

6.6 本章小结

本章参考文献

第七章 总结与展望

7.1 本论文的主要贡献

7.2 下一步的工作和研究方向

附录

致谢

攻读博士期间取得的科研成果

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摘要

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。

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