认知无线电通信宽带中最小时延路由算法分析论文

第一章绪论

1.1研究背景
1.1.1认知无线电网络的研究意义
在全球社会经济和科学技术发展的进程中，各种无线电技术和系统在各行各业中的应用发挥着至关重要的作用。在我国现代化建设过程中，无线电技术也得到了广泛的应用。我国是广播电视应用大国，目前我国电视机和收音机数量已超过了 400万台和500万台；我国移动电话用户数目截止到2012年1月己达到9.8758亿，是全球移动电话用户数量最多的国家，拥有世界第一大移动通信网；此外，在海陆空三维运输、卫星飞船研究、气象、公安、国防等领域都以无线电技术为重要基础。无线电技术在我国社会经济发展中发挥着越来越显著的作用。近年来，随着未来无线通信宽带化的发展趋势，Wi-MAX、LTE、UWB、物联阿等新技术、新业务的快速涌现，各行各业对无线电频率需求的膨胀，使得频谱资源供应日益紧张，这一变化使得有效的传统频谱政策受到了前所未有的挑战。传统静态的频谱政策就是国家政府部门将无线频谱资源划分为不同的频段，将一个或者多个频段分配给某个无线通信系统独立使用，也就是在一定地理范围内授予该系统对这些频段的绝对使用权，而其他系统不允许使用这些频段，这样可以有效地避免系统之间的信号干扰。
但是，目前世界上大部分国家都已将本国的频谱资源规划分配完毕，所以预留给新业务、新技术和新系统的频谱也就越来越少。在2011北京国际4G通信大会上，中国工程院院士郞贺检也指出，TD-LTE的发展缺乏足够的频率资源，我国的频谱资源面临严重不足的局面[3]。另一方面，对于那些相对过时、用户和业务量稀少、对频谱资源需求较低却占用着大段频谱资源的业务，出现大部分时间内没有用户使用的情况，这无疑降低了频谱的利用率，造成频谱的浪费。因此在现有的频谱资源分配方式中，存在着不同程度的频谱资源浪费的问题。比如FCC的统计显示，目前己经分配给现有无线系统的频谱资源的利用率从15%-85%不等[4];根据美国国家无线网络研究实验床项目的测量报告显示3GHz以下频段的平均频谱利用率仅有5.2%，造成很多频谱资源在时域和空域存在不同程度的闲置[5]。
因此从这个角度分析，所谓的“频谱资源短缺”问，实质上并不是频谱资源的绝对短缺，而是由于目前的静态频谱分配政策导致频谱资源没有被充分利用，极大地限制了频谱资源利用率的提高。近年来人们也在积极寻求各种先进的通信理论和技术来缓解频谱资源紧张的状况，比如提高信源编码效率、信道编码效率、调制解调频谱效率等，但是这些方法也只能达到3?4倍的频谱效率，这对于未来成百上千倍的宽带需求仍然是微不足道的。因此Mitola.提出了认知无线电（CR)的概念[6]。具体来讲，就是在频谱规划中采用认知无线电技术，某频段的业务用户分为两类，一类是政府部门指定的合法授权用户（也称为主用户）；一些潜在的、不具备使用许可，但具有使用需求的非授权用户（也称认知用户或次级用户）。认知无线电的目的是：通过具有认知能力的无线系统择机工作在已授权频段上，实现频谱高度共享和提高频谱利用率的目标；但是，认知用户的接入必须以保证主用户通信质量为前提，不能对主用户产生干扰。
这种在空间维度、时间维度和频谱维度中出现的可以被二次利用的频谱被称为“频谱空洞（Spectrum Hole)” [7]，认知无线电的核心思想就是使无线通信系统具有及时有效地发现“频谱空洞”并动态地、合理地、有选择地利用这些频谱空洞的能力。在认知无线电技术基础上，Motorola及Virginia Tech等公司提出了认知无线电网络（CRN, Cognitive Radio Network)o认知无线电网络因其在频谱资源使用上具有动态性、灵活性、智能性，有效地提高了频谱资源的利用率，并受到了通信领域广泛的关注。认知无线电网络可以将各种资源通过合理的分配，实现动态频谱管理、管理控制、网络优化、抵抗干扰、链路自适应等目标，显著改善通信质量，因此，认知无线电网络可以应用于各种无线通信场合，有非常广泛的应用空间，比如（1)租用网络；Q)认知Mesh网络；(3)紧急网络；（4)军用网络。因此，认知无线电网络的提出在通信领域发展过程中具有里程碑式的意义。
1.1.2认知无线电网络的研究现状
目前，认知无线电网络已受到业界广泛的关注，各标准化组织、研究机构以及著名学者纷纷开展相关研究，并开始初步制订认知无线电标准和协议以及启动认知无线电和认知无线电网络的重点研究项目。

    1.2 认知无线电网络的发展演化 .....................11-14
        1.2.1 软件无线电与认知无线电 .....................11-12
        1.2.2 认知无线电网络 .....................12-14
    1.3 全文的主要结构和研究内容 .....................14-15
第二章 认知无线电网络中的路由技术和常用算法 ................15-30
    2.1 认知无线电网络概述 .....................15-20
        2.1.1 认知无线电网络概念 .....................15-16
        2.1.2 认知无线电网络组网模式 .....................16-17
        2.1.3 认知无线电网络关键技术 .....................17-20
    2.2 认知无线电网络路由协议 .....................20-22
    2.3 认知无线电网络的路由算法 .....................22-29
        2.3.1 基于最小时延的路由算法 .....................23-26
        2.3.2 基于冲突避免的路由算法 .....................26-27
        2.3.3 基于多个度量指标的路由算法 .....................27-29
    2.4 本章小结 .....................29-30
第三章 基于认知无线电网络最短时延路由算法 ...................30-43
    3.1 最短时延数学模型 .....................30-32
    3.2 PCNN模型 .....................32-35
        3.2.1 基本PCNN模型 .....................32-33
        3.2.2 改进型PCNN模型 .....................33-35
    3.3 基于MPCNN的最短时延路由算法 .....................35-37
    3.4 计算机仿真 .....................37-42
        3.4.1 度量指标性能分析 .....................37-40
        3.4.2 MPSPT性能分析 .....................40-42
    3.5 本章小结 .....................42-43
第四章 基于动态认知无线电网络路由算法 .....................43-54
    4.1 场景分析 .....................43-45
    4.2 基于MPCNN的动态算法描述 .....................45-47
    4.3 时间属性计算 .....................47-51
    4.4 计算机仿真 .....................51-53
    4.5 本章小结 .....................53-54

总结

论文从理论和仿真两个方面对认知无线电网络的路由算法进行了分析和探讨，主要内容包括以下几个方面：
(1)对认知无线电网络的研究背景进行了分析，包括认知无线电网络的研究意义、研究现状及发展过程。然后对认知无线电网络进行了概述，包括网络的组网模式、关键技术、路由协议，并介绍了国内外几种认知无线电网络的路由算法。
(2)计对认知节点可用频段动态变化的特性，提出了最短时延路由选择度量指标，包括了传输时延和信道切换时延。仿真结果表明，与传统的以距离为路由选择度量指标相比，最短时延度量指标有效地缩短了网络中的时延。
(3)针对传统求解SPT算法的缺点，把PCNN引入到认知无线电网络路由求解中，首先简述PCNN基本模型，提出一种改进型PCNN模型，使之更适合用于寻找最短路径；然后提出了基于改进型PCNN的最短时延路由算法，算法以最短时延作为链路代价，以改进型PCNN求解SPT (MPSPT);仿真结果表明，当网络规模较大时，基于MPCNN的认知无线电网络路由算法比传统求解最短路径树的Dijkstra算法表现出了低耗时的优势。
(4)对网络拓扑改变时的最短路径树进行分析，提出一种基于MPCNN的动态认知无线电网络的路由算法（DMPSPT)。仿真结果表明，网络拓扑变化时，DMPSPT算法比静态MPCNN算法收敛更快，具有更低的时耗。