基于效用理论的动态频谱管理策略

摘要

近几年来，随着无线移动通信技术的迅猛发展以及多种类型的无线移动通信系统的广泛研究和部署，对频谱的需求与日俱增，传统的固定频谱分配方式的劣势逐渐显现。在固定频谱分配方式中，政府通过给不同的运营商颁发频谱使用许可证的方式对频谱资源进行管理。这种固定频谱分配的方式能够有效地防止不同无线接入网络之间的干扰，政府也能够对频谱资源进行集中管理。但是无线系统对频谱的需求是随时间或空间的变化而变化的，固定的频谱管理模式必然会导致频谱资源利用率的低下，甚至产生频谱空洞。以美国联邦通信委员为代表的各国频谱管理机构最新的频谱使用情况测试结果表明，大量的频谱资源在很大部分时间内并未得到充分的使用，也即频谱的稀缺并非源于频谱资源本身的不充足，而是由落后的固定频谱管理模式造成的。为了充分的发掘频谱资源的效能，人们期待一种能够有效提高频谱利用率的管理机制。动态频谱管理（DSM，Dynamic SpectrumManagement）的理念应运而生，并成为过去十年中无线通信领域的研究热点之一。一般而言，动态频谱管理总体上包括四个部分内容：频谱检测、频谱判决、频谱接入与共享和频谱移动性。本文基于动态频谱管理技术的研究现状，针对动态频谱管理研究中的热点问题，考虑到当前蜂窝移动通信系统对小区边缘性能需求的提高，以及随着家庭基站的引入对现有系统的影响和挑战，重点针对动态频谱管理中的网络内合作式频谱接入与共享和频谱切换两个部分进行了分析和研究。主要研究内容包括以下三个方面：
　　 ㈠针对蜂窝移动通信系统中小区边缘区域对抑制干扰和提高传输速率的需求，考虑到目前的频谱接入方案不能充分利用频谱资源的现状，为了进一步提高干扰环境下小区边缘频谱利用率，本文提出了一种基于认知无线电技术的小区边缘动态频谱接入（DSA，DynamicSpectrum Access）方案和一种小区边缘认知用户相互协作的联合功率/信道分配算法。通过对频谱的认知和用户之间的协作，提高了小区边缘用户的体验和系统性能，并提高了频谱利用率。
　　 ㈡针对家庭基站（Femtocell）网络中频谱接入与共享的难题，为了避免不同的Femtocell之间的干扰并同时提高频谱利用率，本文提出了一种新型的动态频谱共享（DSS，Dynamic Spectrum Sharing）方案。该方案包括一个启发式动态分簇算法（DHC，Dynamic HeuristicClustering）和联合功率/信道分配算法，通过DHC进行分簇可以充分发挥协同频谱检测的优势并降低Femtocell之间的干扰，利用分布式联合功率/信道分配算法可以有效提高Femtocell的用户数据速率。
　　 ㈢针对基于认知无线电技术的移动通信系统对保持认知用户通信连续性和服务质量的需求，考虑到由于频谱的随机变化特性使认知用户的工作频谱发生变化的情况，为了提高频谱切换的成功率和用户吞吐量，本文提出了一种基于认知无线电技术进行频谱切换的机制和准则，通过设计可靠的频谱预估计方法以及高效灵活的频谱切换机制，保证了认知用户通信的连续性和业务服务质量，提高了认知用户的吞吐量。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 动态频谱管理策略研究现状

1.1.2 效用理论及其应用

1.2 论文所做的主要工作及创新点

1.3 论文结构

参考文献

第二章 动态频谱管理模型与技术

2.1 动态频谱管理模型

2.1.1 动态专用模型

2.1.2 开放共享模型

2.1.3 分级接入模型

2.2 动态频谱管理相关技术与研究内容

2.2.1 认知无线电

2.2.2 认知无线网络

2.2.3 主要研究内容

2.3 本文所研究的模型及技术

2.4 本章小结

参考文献

第三章 基于效用理论的小区边缘动态频谱接入方案

3.1 小区边缘认知用户DSA方案概述

3.1.1 研究背景

3.1.2 研究场景

3.1.3 方案流程

3.2 DSA方案系统模型

3.3 DSA方案数学建模

3.3.1 效用函数的定义

3.3.2 代价函数求解

3.3.3 博弈模型分析和算法设计

3.4 仿真评估

3.4.1 仿真参数设置

3.4.2 仿真结果及分析

3.5 本章小结

参考文献

第四章 基于效用理论的Femtocell网络动态频谱共享方案

4.1 Femtocell研究背景

4.2 DSS方案概述

4.3 DSS系统模型

4.4 DSS方案数学建模

4.4.1 分簇方法

4.4.2 效用函数

4.4.3 代价函数

4.4.4 博弈论模型和频谱共享算法

4.5 仿真评估

4.5.1 仿真参数设置

4.5.2 仿真结果及分析

4.6 本章小结

参考文献

第五章 基于效用理论的频谱切换机制和准则

5.1 频谱切换技术研究现状

5.1.1 频谱切换技术概念及分类

5.1.2 频谱切换研究场景

5.1.3 频谱切换相关参数

5.1.4 理论分析模型

5.2 频谱切换机制实施流程

5.3 频谱切换机制具体实施方案

5.3.1 频谱切换时段划分与调整机制

5.3.2 频谱检测预估计机制

5.3.3 可用频谱评估准则

5.3.4 可用频谱集合更新准则

5.3.5 频谱切换参数调机制

5.4 仿真评估

5.5.1 仿真参数设置

5.5.1 仿真结果及分析

5.5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

作者攻读硕士学位期间发表的学术论文和申请的专利清单