面向多授权网络的动态频谱共享关键技术研究

Cognitive radio (CR) based dynamic spectrum sharing (DSS) is a promising solution to “spectrum crisis” for wireless communications system. However, most of the existing researches are limited in only one licensed network. As the wireless network environment is becoming more complex, it is anticipated that multiple primary networks (PRN) will be incorporated into CR systems, while the existing solutions cannot work in the new network environment. Moreover, the PRNs offer potential “network diversity” gain that provides new probabilities to further improve the spectrum utilization. We study on key technologies of DSS, including spectrum sensing, dynamic spectrum access, and resource allocation in the PRN environment. Specifically, we first propose cooperative sensing scheduling, aiming at maximizing available spectrum holes in the PRN environment. As for dynamic spectrum access, we propose perturbation analysis based online and offline strategies by the relation between the perturbations of access strategies and the system performance. At last, we propose efficient allocation schemes by taking the advantages of swarm intelligence optimization, in order to further improve spectrum utilization. The achieved frameworks and developed algorithms in this project will be of great importance to high-efficient spectrum utilization of wireless networks.

基于认知无线电(CR)的动态频谱共享(DSS)理论为无线通信的频谱危机提供了有效的解决途径。现有关于CR-DSS的研究多局限于单授权网络。随着无线网络环境的日益复杂，CR与多个授权网络交互逐渐成为可能，而现有研究成果无法适用于新的网络环境；此外，多授权网络可提供潜在的“网络分集增益”，为提高频谱利用效率提供了新的可能。课题以多授权网络为背景，围绕DSS的频谱感知、动态频谱接入及资源分配等问题展开研究。具体内容包括：1)针对频谱感知，提出合作感知调度策略优化方法，在感知资源受限下尽可能挖掘多授权网络的可用空闲频段；2)针对动态频谱接入，通过明晰接入策略扰动对系统性能的影响机理，提出基于摄动分析的在线与离线动态频谱接入策略；3)针对复杂的资源分配，提出基于群体智能优化的高效分配方案，进一步提高频谱利用效率。研究成果能够解决DSS理论的部分关键问题，并为无线网络的频谱高效利用提供有价值的参考。

根据立项之初的设想，本课题面向亟需解决的无线通信频谱稀缺的问题及现有网络环境呈现的复杂特性，以基于认知无线电的动态频谱共享技术为主要手段，针对多授权网络环境中如何高效利用有限频谱资源的问题展开研究。通过本课题的研究，以期能够明晰对多授权网络环境中动态频谱共享技术出现的挑战和问题，并针对新网络环境中面临的问题，系统地给出行之有效的解决方案。.本项目按照申请书预定目标和计划开展研究，在多授权网络环境下，基于认知无线电的研究框架，开展了接入前的频谱感知、接入时的动态频谱接入策略以及接入后的自适应资源分配研究。项目执行期间，发表学术论文 20 篇，其中期刊论文 5 篇（SCI 检索期刊论文 4 篇，EI 检索期刊论文 1 篇），参与了 6 次国际学术会议并进行学术报告，发表会议论文 15 篇（均为 EI 检索会议论文），标注率 100%。申请及授权国家发明专利 8 项。培养了硕士研究生 12 名。.本课题的创新之处和主要贡献包括：.1）针对多授权网络环境中的频谱感知问题，我们创新性的提出了通过合作感知调度的方式，缓解复杂网络环境中感知任务复杂、感知资源不足的难题，并提出了切实可行的合作感知调度方案，有效提升了频谱感知的精度，为后续频谱高效利用提供了必要的频谱态势信息；.2）在动态合作感知的研究结果基础上，我们提出网络选择问题是多授权网络环境中的动态频谱接入的核心问题。针对该问题，分别研究了网络状态已知和未知条件下的网络选择方案，以及在多种动态频谱接入策略共存的情况，研究了多策略混合网络选择方案，为动态频谱接入领域的研究提供了全新的思路和可行的解决办法。.3）紧密结合 5G 移动通信的发展需求，研究了在多授权异构网络环境下，频谱资源分配问题。在此基础上，将研究内容扩展至超密集网络环境中，并通过引入协作多点联合传输技术、预缓存技术和群智模式，进一步丰富了本研究提出的动态资源分配应用领域。