认知无线网络的容量分析及QoS性能研究

随着无线通信技术的迅猛发展，可利用的频谱资源正变得越来越匮乏，然而另一方面，在现有的固定频谱分配制度下，已分配的授权用户频段内却存在着大量的空闲频谱。认知无线网络作为解决这一频谱利用率低下问题的关键技术成为了近十年来无线通信领域的一个研究热点。本文以信息论、排队论和渗透理论为主要工具着重研究了认知无线网络的容量和服务等级（Quality-of-Service，QoS）性能。其中容量部分包括考虑授权用户信号变化影响的小型认知无线网络的容量分析、基于时延QoS限制的有效容量分析和大型ad hoc交织式（interweave）认知无线网络的容量尺度规律分析；而QoS性能部分则研究了集中式认知无线网络的主要性能参数。全文的主要内容和贡献如下：第一章介绍了论文的工作背景，综述了认知无线网络的发展与现状，并详细介绍了认知无线网络容量领域的研究进展，列出了本文的工作意义和内容。第二章研究了单认知用户和单授权用户共存的小型认知无线网络的容量问题。和现有的研究假设认知用户两次感知间歇期间授权用户的活跃性不发生变化不同，本文考虑了授权用户在这段时间内发起或结束通信对系统容量造成的影响，并建立了相应的分析模型。通过推导，揭示了认知用户的容量、感知周期、授权用户活跃程度之间的关系，其结果可以作为认知用户帧结构设计的理论依据。此外第二章还从排队论的角度分析了突发通信和泊松流两种业务下系统的分组传输时延，其结果可作为不同业务认知用户选择接入信道的参考。在现代无线通信系统中，用户的通信都是在确保一定QoS的条件下进行的。为此，第二章还研究了认知无线网络在时延受限条件下的容量，即用户的有效容量。与现有文献主要针对认知用户收发端均具有完美信道边信息不同，本文将考虑认知用户只在发送端进行信道感知的情形。通过数学分析，得到了有效容量与时延限制以及感知时间之间的关系，并提供了一种QoS限制下分析用户性能的方法。大型ad hoc认知无线网络的容量也是近期的研究热点之一，目前对此类问题的研究集中在采用下垫式（underlay）认知模式的网络中，而对采用交织式认知模式的网络容量的研究则集中在单认知用户和单授权用户的小型网络中。为此，第三章推导了ad hoc交织式认知无线网络的容量，从而把现有对交织式网络容量的研究从小型认知无线网络扩展到了大型的认知无线网络。通过构建辅助网络我们得到了授权用户和认知用户的容量上界；为了计算容量下界我们利用渗透理论设计了一个协同传输机制，通过计算发现利用设计的机制，授权和认知用户的容量下界和上界一致，从而得到了用户的容量尺度规律。研究结果表明授权用户可以通过与认知用户的协同获得比单独使用频谱更大的容量。这将可能会成为授权用户与认知用户分享频谱资源的重要动力之一。第四章给出了研究集中式认知无线网络主要QoS性能参数的分析模型。和现有的研究相比，该模型考虑了认知用户的感知差错以及多信道接入和切换过程对系统性能的影响，因而更贴近实际。利用该模型我们推导了集中式认知无线网络的一些重要QoS参数指标，例如：授权和认知业务的阻塞率、中断率以及认知无线网络的频谱利用效率等。结果表明：尽管存在感知误差，通过认知技术仍然能够显著地提高频谱利用效率。此外从仿真结果我们也看到通过控制认知用户的接入量，授权用户的QoS需求也是可以得到保证的。所提出的方法可以用于未来认知无线网络的QoS性能分析。最后第五章总结了全文，并对下一步的研究提出了建议。