认知无线电自组织网络MAC协议的分析

认知无线电自组织网络MAC协议的分析(论文22000字)
摘 要
目前，无线通信技术快速发展，无线频谱资源的供需矛盾日益凸显，传统的固定式频谱分配策略引起大量频谱资源的极度浪费。如何提高频谱利用率成为无线通信领域的主要任务。认知无线电技术的主要思想为使认知用户智能地感知无线频谱环境，并在不影响授权用户的前提下合理的利用频谱资源，提高频谱利用率。
本论文重点研究认知无线电网络的随机频谱接入(Opportunistic Spectrum Access, OSA) MAC协议，通过分析随机频谱接入协议中授权用户 PU(Primary Users)和认知用户SU(Secondary Users)之间的相互影响，建立了认知网络频谱接入性能分析模型。
首先，针对IEEE802.11网络研究了一种具有相关授权用户(RPU, Reactive PrimaryUsers)的随机频谱接入(OSA)协议。采用四维离散时间马尔可夫链模型对认知网络接入过程进行建模，得到各系统性能参数的稳态分布；通过仿真，验证了模型的有效性，并得到认知用户吞吐量和平均接入延迟随时隙数目而变化的关系。
其次，从单信道推广到多信道，得到多信道无线认知网络性能参数的稳态分布，仿真结果表明，在单信道和多信道情况下，本文研究的RPOSA协议的性能指标优于传统的OSA协议性能指标。
最后，针对IEEE802.16m网络研究了一种分布式多信道RPOSA协议，并使用三维离散时间马尔可夫链模型分析该协议，得到网络性能参数的稳态概率，进而获得认知用户的性能指标。通过仿真分析，得出丢包率和吞吐量与时隙数目之间的变化关系。同时与传统的OSA协议性能对比，该协议对提高802.16m网络协议的吞吐量和降低丢包率有明显的效果，进一步验证该协议的有效性。

关键词：认知无线电；IEEE802.11 协议；IEEE802.16m 协议；随机频谱接入机制；四状态马尔可夫链建模

Abstract
At present, the wireless communication technology develop rapidly. The problems ofcontradiction between supply and demand loom large. The waste of numerous spectrum resources is becoming increasingly apparent caused by traditional fixed spectrumassignment strategies. It is the main task that how to improve the spectrum efficiency in the field of wireless communication. thus cognitive radio technology comes into being. the
main idea of cognitive radio technology: Through perceiving intelligently the surrounding pectrum, we use the spectrum resources reasonably and improve the spectrum utilization without affecting the authorized users. This article focuses on the cognitive radio network random spectrum access (OSA, Opportunistic Spectrum Access) MAC protocol, through the analysis of PU (Primary Users) and SU (Secondary Users) interaction in random spectrum access protocol. cognitive spectrum access network performance analysis model is established.
First of all, we researched a new mechanism for (OSA) protocol for signal channel based on IEEE802.11. We model process of cognitive network access with four-dimensional discrete time Markov chain and obtain the steady state distribution system performance parameters; The validity of the model is verified by simulation, and we get the diagram which show that according to different number of the time slot,throughput and average delay change.
Secondly, from the single channel to multi-channel, we get the steady state distribution of the multi-channel wireless cognitive network performance parameters, The simulation results show that the performance indexes of the RPOSA protocol in this paper obviously superior to the traditional OSA protocol under the single channel and multiple-channel.
Finally, we researched a distributed multi-channel RPOSA protocol on IEEE802.16m,We analyze the proposed RPOSA protocol with three-dimensional discrete time Markov chain model, get the steady-state probability of network performance parameters, and thus obtain performance index of SU. By simulation and analysis, we get the diagram whichshow that according to different number of the time slot, throughput and packet loss rate change . Simulation results show that compared with the the traditional OSA protocol, The protocol has obvious effect in improving the throughput of 802.16m network protocol and reducing packet loss rate, further verify the validity of this protocol.

Keywords: cognitive radio; IEEE802.11; IEEE802.16m; opportunistic spectrum access;four-state Markov chain model

目  录
摘 要    II
Abstract    III
目  录    V
第 一 章  绪  论    1
第一节  课题背景及研究的目的和意义    1
第二节 国内外研究现状    1
一、 认知无线电网络关键技术    2
二、 认知无线电网络中 MAC 协议的研究    2
第三节 本文主要研究内容    3
第四节 本文的结构安排    3
第 二 章  认知无线电技术和 MAC 协议    5
第二节 认知无线电技术    5
一、 认知无线电技术的概述    5
二、认知无线电技术的特征    5
第三节 IEEE802.11 网络协议介绍    6
一、 分布式协调功能 DCF    7
二、 RTS/CTS 访问机制    8
第四节  认知无线电网络 MAC 协议研究    10
第五节 IEEE802.16m 网络协议    11
第六节 IEEE802.16m 网络协议竞争机制    12
第七节 截断二进制指数退避算法    13
第八节 本章小结    14
第 三 章 认知无线电网络中单信道 RPOSA 协议研究    15
第二节 随机频谱接入技术    15
第三节  单信道认知无线电网络 RPOSA 协议运行制    15
第四节 马尔可夫链模型分析    17
一、 马尔可夫链定义    17
二、 授权用户二状态离散时间马尔可夫链模型    18
三、 授权用户四状态离散时间马尔可夫链模型    18
四、 模块改进方向    20
第五节 部分可观测马尔可夫决策(POMDP)建模    21
第六节 单信道认知无线电网络 RPOSA 协议    24
一、单信道认知无线电网络 RPOSA 协议设计要求    24
二、单信道认知无线电网络 RPOSA 协议    25
第七节 四维离散时间马尔可夫链建模    25
第八节 仿真实验与性能分析    27
一、 仿真软件介绍    27
二、单信道 RPOSA 协议性能分析    28
第九节  传感器网络MAC协议节能机制研究    31
第十节 本章小结    31
第 四 章 认知无线电网络中多信道 RPOSA 协议研究    33
第一节  多信道 RPOSA 协议    33
第二节 多信道 RPOSA 协议时隙结构模型    33
第三节 仿真实验与性能分析    34
第四节  本章小结    37
第 五 章 基于 802.16m 网络多信道 RPOSA 协议    38
第一节   基于 802.16m 网络多信道简介    38
第二节  基于 802.16m 网络的分布式多信道 RPOSA 协议    38
第三节 IEEE802.11 和 IEEE802.16m 竞争机制的差异    39
第四节 仿真实验与分析    39
第五节  本章小结    41
结   论    43
致   谢    44
参考文献    45
外文文献（英文）    48
外文文献（中文）    51