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认知无线电网络中分布式信道汇聚算法研究

博士研究生:顾钊铨

指导教师:Qiang-Sheng Hua

所属院系:交叉信息研究院

论文摘要

随着无线技术的飞速发展，无线频谱越来越成为一种稀缺资源。一般而言，一部分无线频谱被提前分配给付费服务或者供应商，而剩下的频谱则对所有无线设备免费。近年来，随着无线设备的飞速增长和无线服务要求的不断增加，免费频谱已经变得十分拥挤，而付费频谱却并没有被充分利用。认知无线电网络在这样的背景下应运而生。网络中每个无线设备都配备认知无线电去探测付费频谱，并利用没有被占用的频谱进行通信，从而提高频谱利用效率，缓解免费频谱的拥挤现状。因此认知无线电网络被认为是可以解决频谱紧缺的有效方案。在搭建认知无线电网络时，每一对相邻用户（设备）需要找到一个共同的信道建立通信链路，我们把这个最基础的过程称为信道汇聚(rendezvous)。本文主要研究三种不同类型信道汇聚问题的分布式算法：盲目信道汇聚(blind rendezvous)、忘却盲目信道汇聚(oblivious blind rendezvous)和异构认知无线电网络的盲目信道汇聚问题(blind rendezvous for heterogeneous cognitive radio networks)。

在盲目信道汇聚问题中，用户不能通过中央控制单元或者通用控制信道进行汇聚，每个用户可能探测到不同的可用付费频段（信道），但它们不知道彼此的信道信息，而这些都加大了分布式算法的设计难度。本文第一部分提出了两种不同类型的分布式信道汇聚算法：基于全局序列信道汇聚算法设计了基于所有信道的全局序列，无论用户有多少可用信道，该算法都可以保证用户之间的快速信道汇聚；基于局部序列信道汇聚算法设计基于用户本地信息的跳频序列来实现信道汇聚。这些算法都是该问题目前最好的结果。

在忘却盲目信道汇聚问题中，用户不知道付费信道的编号，因此每个用户只能对可用信道进行本地编号，而相同的信道也有可能被不同用户进行不同的编号，这是该问题最大难点。本文第二部分研究了匿名用户和非匿名用户的忘却盲目信道汇聚问题。对于两个匿名用户，我们首先证明该情况下没有确定性算法，然后提出一个高效的分布式随机算法；对于两个非匿名用户，我们分别提出适用于同步用户和异步用户的确定性分布式算法。除此之外，我们还首次提出仅使用用户本地信息的完全分布式算法。

在异构认知无线电网络的盲目信道汇聚问题中，用户有不同的探测付费频谱的能力，当用户仅能探测很小一部分频谱时，以往所有算法都会花费较多时间实现信道汇聚。本文第三部分设计了异构认知无线电网络中高效分布式信道汇聚算法，这些算法显著减少了汇聚时间，提高了汇聚效率。