改进人工蜂群算法的认知无线电的扩展性研究

第 1 章 绪 论

人们已大规模的使用诸如3G、WIFI、WiMAX 等无线网络，使得频谱资源越来越紧张。虽然通过一些复用技术可以提高频谱利用率，但是这些技术不能从根本上解决实际生活中人们对频谱需求过快的问题。认知无线电技术是为了缓解频谱资源紧缺和利用率低而提出的一种智能通信技术，它的核心思想是非授权用户具有发现空闲频谱并进行合理利用的能力，即在不影响授权频段内授权用户(主用户)正常通信的情况下，非授权用户(认知用户)可以使用已授权频谱的空闲频段。本论文以加强认知无线电协作频谱感知能力，提高系统网络效率和用户之间 的公平性为目标，研究基于智能优化算法的认知无线电协作频谱感知和频谱分配技术，提高频谱利用率。

1.1 课题背景及研究的意义
在这种固定分配策略下，如果频段被授权给了某个用户，则其他用户不能利用该频段，这种分配策略具有方便实施和管理的优点，但是导致了授权频谱资源利用率很低的问题[1]。以美国为例，美国联邦通信委员会提出的数据表明，授权频段的资源利用率为 15%~85%[2]。另一方面，随着网络技术的发展，大多网络技术均利用非授权频段进行通信，且非授权频段占有的频谱资源很少，使得非授权频段过度拥挤，造成无线通信业务的服务质量降低。显然，目前固定频谱分配策略使得频谱的利用极度不平衡，是造成频谱利用率低的一个原因。认知无线电的概念是由 Joseph Mitola 博士在 1999 年首次提出的[3]。
在认知无线电网络中，利用授权频段的用户称为“授权用户”；以机会方式接入授权频段且具有认知能力的用户称为“非授权用户”。认知无线电的基本思想是：认知用户在不对授权用户产生有害干扰的前提下，可以以机会方式接入空闲的授权频段，实现对频谱资源的有效利用。当授权用户再次利用授权频段时，认知用户必须及时退出该频段，寻找其他空闲频段[4]。从图 1-1 中可以看出，动态频谱访问过程是指：利用频谱感知技术发现频谱空穴后，认知用户利用频谱空穴进行通信，并不断感知该授权频谱中授权用户的再次出现，以及时退出，跳入其它空闲频段，不影响该频段的授权用户正常使用。
国际组织 IEEE 在 2004 年 11 月成立了 IEEE802.22 工作组，负责制定基于认知无线电技术的空中接口标准[5]。其目的就是使用认知无线电技术，将频谱范围为4.85MHZ~223MHZ 的 VHF 频段和 470~806MHZ 的 UHF 频段用作带宽访问接入的频带，使得具有感知能力的认知用户通过对授权频谱的感知，得到空闲授权频段，并进行合理利用，提高频谱利用率。迄今为止，认知无线电技术在军事网络[6]、应急网络[7]、租借网络[8]和 mesh 网络[9]等领域已经被广泛应用。由于认知无线电技术具有强大的应用潜力，世界各国的标准化组织、频谱管制部门和研究机构等纷纷对认知无线电技术进行相关研究。
认知无线电技术是一种智能频谱共享技术，可与无线局域网、个域网等网络技术相结合，通过实时地调整内部参数，实现系统的高可靠通信和对频谱资源的有效利用[1]。这种智能的认知无线电通信技术，包含了以下三种关键技术：
(1) 频谱感知认知用户接入授权频谱时，相对授权用户来说，优先级别较低[10]。实现认知无线电技术的前提条件是认知用户接入授权频段时，不能对授权用户产生有害干扰，影响授权用户的正常通信。在一个认知无线电网络系统中，如果既包括授权用户又包括认知用户，则授权用户均知道认知用户的存在，所以认知用户要利用授权频段进行通信时，必须不断的对授权频段进行感知，以及时地对传输参数做出调整[11]。频谱感知的主要作用是通过认知用户不断感知授权用户是否正在使用授权频段，寻找空闲的授权频谱资源[12]。
(2) 频谱分配提高频谱利用率的关键是如何对可用的授权频段在认知用户之间进行合理的分配[13]。通过频谱感知获得频谱的相关信息后，利用感知到的信息对频谱进行分析和决策[14]。也就是获得空闲频谱后，对这些频谱进行分析，根据用户当前的业务需求，决定传输过程中的数据速率、带宽等参数，然后根据频谱分配机制将空闲频谱，合理的分配给认知用户[15]。

    1.2 国内外研究现状 ...............12-18
        1.2.1 频谱感知研究现状 1...............3-16
        1.2.2 频谱分配研究现状 ...............16-18
    1.3 本文的主要研究内容 ...............18-20
第2章 认知无线电频谱感知和分配技术研究 ...............20-30
    2.1 协作频谱感知技术的研究 ...............20-24
    2.2 认知无线电频谱分配的研究 ...............24-28
        2.2.1 认知无线电频谱分配模型分析 ...............24-27
        2.2.2 认知无线电频谱分配的难点分析 ...............27-28
    2.3 协作频谱感知算法和频谱分配策略的设计思路 ...............28-29
    2.4 本章小结 ...............29-30
第3章 基于 MABC 算法的协作频谱感知 ...............30-43
    3.1 协作频谱感知模型 ...............30-32
    3.2 改进人工蜂群(MABC)算法 ...............32-37
        3.2.1 蜜蜂的真正行为 ...............32-34
        3.2.2 人工蜂群算法 ...............34-36
        3.2.3 改进人工蜂群算法 ...............36-37
    3.3 基于改进人工蜂群(MABC)算法的协作频谱感知方法 .......37-39
    3.4 算法仿真与结果分析 ...............39-42
    3.5 本章小结 ...............42-43
第4章 基于 DA-PA-ABC 算法的认知无线电频谱分配 ...............43-56
    4.1 图论频谱分配基本模型 ...............43-44
    4.2 基于 DA-PA-ABC 算法的认知无线电频谱分配 ...............44-50
        4.2.1 可行解编码方法 ...............45-46
        4.2.2 基于 DA-PA-ABC 算法的认知无线电频谱分配 .......46-50
    4.3 基于 DA-PA-ABC 算法的频谱分配方法性能分析 ...............50-55
    4.4 本章小结 ...............55-56

结 论

认知无线电技术是一种新的通信技术，提供认知用户以机会方式使用授权频段的能力。在认知无线电网络中，频谱感知是认知无线电系统的基本功能，检测的准确性决定着认知无线电系统是否能正常工作，而频谱分配方案的合理性直接影响着频谱的利用效率。本文对协作频谱感知算法和频谱分配方案进行了研究，所得研究结论如下：
(1) 在对认知无线电系统进行仔细研究的基础上，首先分析了现有协作频谱感知算法中存在的优缺点，并指出融合策略的研究是协作频谱算法设计的难点；其次分析了现有频谱分配方案，并指出频谱分配方案的难点在于实际网络的复杂性和动态性。
(2) 针对目前协作频谱感知算法检测概率不高的问题，提出了一种基于改进人工蜂群算法的协作频谱感知方法。首先，对人工蜂群算法的优化性能进行了改进，提高了算法的收敛精度和收敛速度。其次，融合中心采用对各个节点的检测概率进行加权求和得到全局的检测结果。结果证实了基于改进人工蜂群算法的协作频谱感知方法的有效性。
(3) 针对已有频谱分配算法中，网络效益不高和认知用户之间存在不公平性的问题，设计了一种基于动态加速种群自适应人工蜂群算法的频谱分配机制。将频谱分配矩阵与动态加速种群自适应蜂群算法中的可行解相结合，进行迭代优化，获得最优分配矩阵。仿真结果证明了基于动态加速种群自适应人工蜂群算法的认知无线电频谱分配机制，在提高系统网络效益同时保证了认知用户之间公平性。