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1、华中科技大学 硕士学位论文 认知无线电的频谱感知及频谱接入策略研究 姓名：李玉英 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘干 2011-01-14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 传统的无线频谱分配策略是向每个授权无线系统分配固定的频段，但这种分配方 式导致频谱资源利用率极低，在当今无线通信飞速发展的形势下已难以适用。因此, 认知无线电作为一种能够使未授权网络向已存在的授权网络租借频谱进行数据传输 的创新技术应运而生，并迅速成为国内外研究热点。本文以降低信道感知时间和提高 空闲频谱利用率为目标，对认知无线电网络中的频谱感知和频谱接入算法进行了研 究
2、，提出了一种新的频谱感知策略和一种结合了独立感知与合作感知优点的自适应感 知频谱接入策略。 本文首先介绍了认知无线电的背景及国内外学者的最新研究进展。然后重点总结 了认知无线电网络频谱感知和频谱共享技术特点，概述了现有的一些性能较好的频谱 管理算法及其存在的缺陷。随后分析了 SSC(Shared Spectrum Company)近几年发布的 频谱利用率调查报告和频谱空洞测量报告。利用了实际网络中频谱空洞分布特点，提 出了一种简单易行的基于信道空闲概率的频谱感知策略。该策略利用了信道统计空闲 概率获得优化的信道感知顺序，通过信道感知顺序的优化减少频谱检测时间，降低频 谱检测消耗。仿真结果表明该
3、策略一定程度上提高了二级用户的感知效率。 紧接着笔者对认知无线电频谱接入算法进行了研究，提出了一种自适应感知频谱 接入策略。该策略将独立感知与合作感知结合，既保证发起检测的二级用户能优先接 入信道，又利用了合作检测提高二级网络整体吞吐量，且避免了传统合作感知易造成 控制信道拥塞的缺点。其中，在独立检测过程中考虑了认知收发机的硬件限制而提出 了窗口感知的概念，并进一步提出了优化收益感知准则。另外，在频谱竞争过程中， 通过在控制信息包中增加信道信息，使得多个二级用户能同时接入信道进行传输。理 论和仿真结果都证明了该策略能显著提高二级网络吞吐量和空闲信道利用率。 关键词：关键词：认知无线电; 频谱感
4、知; 频谱接入; HC-MAC 协议 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The traditional radio spectrum allocation strategies is allocating fixed spectrum band to each authorized wireless system, which, however, causes spectrum resource utilization rate be extremely low and is inapplicable in todays rapidly developed
5、 wireless communication. Thus, cognitive radio as an innovative technology which can make unauthorized networks loan spectrum for data transmission from existing authorized networks arose. This paper studied spectrum sense and spectrum share algorithm of cognitive radio network to reduce channel sen
6、sed time and improve utilization of idle spectrum. The first two chapters of this paper firstly introduced the background, developing history and latest research progress of cognitive radio both at home and abroad. Then emphatically summarized spectrum sense and spectrum sharing technology includes
7、some existing great performance spectrum resources management algorithms. Based on the theoretical basis of the first two chapters, the paper then analyzed spectrum utilization surveys and spectrum hole measurement reports which published by SSC. According to the analysis results of spectrum holes d
8、istributed characteristics, this paper proposed a simple spectrum sense strategy based on the idle probability of channel. The strategy use channel statistics idle probability to get an optimal channel sense sequence. The simulation results show that this strategy greatly improves the secondary user
9、s sense efficiency. Then we studied spectrum allocation algorithm of cognitive radio, and a kind of adaptive sensing spectrum allocation strategies was proposed. In this strategy, secondary user first conducts selfish independent sense in each transmission cycle. If detected idle channels meet its o
10、wn needs, it accesses these channels. Conversely, it would broadcast sense result to the neighbor nodes base on the cooperation detection principle. This kind of adaptive way not only ensures secondary user which carried out the sense can access channels in a 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III prioritized
11、approach, but also improves the whole throughput of secondary network by cooperative detection. In addition, we considered the hardware restrictions of cognitive transceiver in process of spectrum sense and proposed the concept of window sense based on that. In the process of spectrum allocation, mu
12、ltiple secondary users can access idle primary channels for transmission through adding channel information to the control packets. Theory and simulation results proved this strategy can significantly improve the throughput of secondary network and utilization of idle channel. Key word: cognitive ra
13、dio, spectrum sense, spectrum access, HC-MAC protocol 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被
14、查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 背景背景 无线频谱是无线通信系统中最有价值也是最缺乏的资源之一。然而，实际测量 显示大部分授权频谱的利用率极低。许多授权频谱在某些地理区域几乎未使用，在 全局上大部分时间也是空闲的1。 FCC(美国联邦通信委员会)
15、频谱政策专门小组的一 项调查显示，3GHz以下频段的频谱利用率大约为15%85%，3GHz以上频段的利用 率则更低。2004年8月31号至9月3号，在纽约市的共和党全国代表大会期间当时 美国最拥挤的区域，SSC对纽约市30M2900M频段频谱使用情况做了现场勘测，数 据报告如图1.1所示。在频谱占用最高峰的这几天，频谱的平均占有率也不超过13%。 几乎所有的频段的利用率基本都低于50%，很多频段甚至低于10%2。这些报告都证 实了频谱资源缺乏和频谱利用率低下之间的不平衡成为了无线通信系统实现高数据 速率服务的重大瓶颈。 图1.1 2004.8.302004.9.3 纽约市频谱测量报告2 华 中
16、 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 在不影响已有用户性能的情况下，一段频谱如果还能容纳二级用户传输，则这 段频谱可认为是没有被充分利用。在时间、空间或频率上能容许二级用户使用的频 段称为“频谱空洞”3。无线系统需要判定频谱空洞的存在并及时利用。很显然，传 统的固定频谱分配策略在当今无线通信飞速发展的形势下已难以适用。要想透明的 充分利用频谱空洞就必须用动态的方式进行频谱接入。因此一种能够使未授权网络 向已存在的授权网络租借频谱进行数据传输的创新技术被提出，这就是认知无线电 (Cognitive Radio)。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前，认知无线电作为一种新兴技术还远远没有成熟到可以在已有的无线系统 和网络中运用，要建立真正实用的认知无线网络还有很多技术难关需要攻克，所以 很难描述不同应用场景下的认知无线电网络将会是什么样的。但是，可以肯定它有 潜力在不久的将来对无线频谱的接入方式和频谱利用率做出重大的改变。 与传统无线电相比，认知无线电的发展历史还相当短暂，仍然处
