认知网通信性能若干关键技术研究

With the rapid growth of wireless facilities and the corresponding bandwidth demand, the limitation of the spectrum resource has become the major impedance. Cognitive radio networking, which allows unlicensed users to access licensed spectrum and sense the spectrum holes, is an enabling technology to alleviate the spectrum scarcity problem as well as to increase the spectrum utilization. Enhancing the performance of cognitive radio networks via optimizing the network topology, MAC protocol, and more efficiently utilizing the spectrum resource is becoming more and more important. Our proposed research is summarized by the following four thrusts: 1. We carry out a capacity analysis of cooperative and non-cooperative cognitive radio networks to jointly investigate various parameters of the secondary network. 2. We propose a multi-access delay model for spectrum sharing in cognitive radio networks, and design a proportionally fair CSMA/CA protocol based on the proposed model, which aims to analyze and improve the network performance. 3. We study both static and dynamic spectrum auction strategies to efficiently and fairly allocate the spectrum resource as well as to enhance the network performance. 4. We investigate mechanisms for relay selection and resource allocation in cooperative cognitive radio networks to extend the network coverage and increase the network throughput.

随着无线设备数量和无线宽带应用的急速增长，频谱资源的需求不断增加。通过认知无线电技术，获得可用频谱资源，由认知无线电设备组成的认知网作为一种频谱共享系统，能够有效缓解频谱资源不足问题。在这样的背景下，如何通过改进网络拓扑、协议等条件以及更高效利用频谱资源来提高认知网的性能是亟须解决的。主要研究内容包括：1.协作与非协作认知网容量分析，结合次级参数的影响，作为进一步网络性能研究的理论依据；2.建立多址接入时延模型和设计多比例公平CSMA/CA协议，分析并改进用户共享资源时的网络性能；3.设计有效公平的频谱拍卖方案和动态拍卖方案，高效、公平的分配频谱资源，同时分析并尽可能的提高拍卖策略下的网络性能；4.合作与非合作中继优化管理，通过合理的中继选择与资源分配（功率、带宽等），提升网络性能（吞吐量、覆盖范围）。

随着无线设备数量和无线宽带应用的急速增长，频谱资源的需求不断增加。通过认知无线电技术，获得可用频谱资源，由认知无线电设备组成的认知网作为一种频谱共享系统，能够有效缓解频谱资源不足问题。以此为背景，项目组主要进行了以下几方面的工作，以期通过改进网络拓扑、协议等条件以及更高效利用频谱资源来提高认知网的性能。具体工作如下：.1、结合中继网络的思想，课题组针对认知无线电网络，分析了DF和AF两种数据转发方式下的平均可传输容量，推导出了非协作和协作认知无线电网络的最大平均传输容量。.2、针对该网络下的数据链路层协议进行了分析，基于合作博弈设计了相应的效用函数，引入时间公平准则的约束条件，提出了两种MAC协议公平性改进方案，分别为G-CSMA和U-GCSMA协议，分别侧重网络的公平性以及不同网络环境下的普适性问题，并在在网络规模、吞吐量、公平性和碰撞率等方面具有良好的性能。.3、将经济学的拍卖理论应用于认知无线电网络的频谱分配策略中，让次级用户有偿使用初级用户的授权频段，进一步提升认知无线电网络的性能和实用性。解决各种复杂网络环境下的频谱资源管理问题，而且既可以应用于集中式频谱管理，也可以应用于分布式频谱管理。同时，参与拍卖的用户各自竞标，与其他用户的信息交互较少，对全局信息的依赖性较低，网络通信开销小。依据“价高者得”这一基本原则，可实现快速分配。并且拍卖机制相对公平，所有用户都是在一致、公开的拍卖规则下平等的参与分配过程。.4、探讨了合作中继技术，它使得可以有效地对抗无线通信中普遍存在的衰落效应，获得空间分集增益，从而保证了通信双方的通信质量，提高了网络的吞吐量。综合利用认知无线电技术和中继转发技术在提高网络性能方面的优势，设计了多种提高网络中频谱利用率和抗衰落能力的综合技术解决方案。.总而言之，课题组在认知无线电若干关键技术上进行了深入探讨，给出了相应的解决方案。相关研究发表到诸多国际顶级会议及期刊上，并获批了两项发明专利。