認知無線電中基于海量頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘的動態(tài)頻譜接入策略研究.pdf

1、近些年來，隨著無線通信的飛速發(fā)展，無線頻譜資源的需求量正在急劇增加，使得國家已將其與土地、礦山、森林等列為同等重要的資源。特別是對于當前業(yè)界熱點“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展，其未來將應用于無法準確估量的行業(yè)和場景，必然將產(chǎn)生海量終端，形成遠遠大于人與人之間通信互聯(lián)的移動通信與無線接入的數(shù)據(jù)量，到那時，頻譜資源的短缺將成為物聯(lián)網(wǎng)難以克服的瓶頸。在頻譜資源日益匱乏的今天，任何無線技術(shù)的演進與頻譜的合理利用之間都存在著密切的關(guān)系，得到充足頻譜資源的技術(shù)才

2、會迅速發(fā)展，反之則會漸漸退出歷史舞臺。為了有效克服現(xiàn)今存在的可用頻譜有限性與頻譜資源利用的低效率之間的矛盾，迫切需要一種新的可以伺機利用空閑頻譜資源的通信方式，于是，基于認知無線電的動態(tài)頻譜接入技術(shù)的概念就應運而生并成為未來無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，但其從概念到應用尚面臨很多挑戰(zhàn)。
　　 本文通過進行長時間、大規(guī)模的頻譜監(jiān)測工作，應用海量頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對頻譜使用模型、頻譜的多維相關(guān)性、頻譜使用狀況的多維預測以及動態(tài)頻譜接入策略優(yōu)

3、化等重點問題，進行了深入的研究，主要開展的創(chuàng)新性工作如下：
　　 （1）通過選取合適的地點及測試設備，進行了長時間的多地點并行的寬頻帶頻譜監(jiān)測工作
　　 進行動態(tài)頻譜接入的目標是在不干擾授權(quán)用戶的情況下充分利用無線頻譜資源，首先就需要對當前無線頻譜的使用模式和規(guī)律做深入的分析，這是非授權(quán)用戶進行信道估計，并進行動態(tài)頻譜選擇的前提。前人進行的頻譜測量，大多是要么單點測量、要么多點不同時測量、或者多點之間的位置選取不具有代表

4、性，并且測量結(jié)果的發(fā)布一般是以頻譜占用度為衡量標準，結(jié)論大多局限在授權(quán)頻段頻譜未被充分利用等，缺乏對頻譜數(shù)據(jù)的進一步分析和挖掘。本文進行了多地點并行的寬帶頻譜監(jiān)測工作，監(jiān)測帶寬從20MHz-3GHz，并考慮了監(jiān)測地點的選取。整個監(jiān)測工作連續(xù)持續(xù)了一周的時間，獲取了海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這為接下來的數(shù)據(jù)分析工作提供了基礎(chǔ)。
　　 （2）應用回歸分析、相關(guān)性分析以及時間序列分析等理論對授權(quán)用戶信道模型以及頻譜使用規(guī)律進行了深入的研究

5、>　　 對得到的海量頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了深入的統(tǒng)計分析，提出了使用信道空閑時間（Channel Vacancy Duration，CVD）和業(yè)務擁塞率（Service Congestion Rate，SCR）進行信道分析的方法，并研究了頻譜使用在時間、頻率和空間上的多維相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)了授權(quán)信道狀態(tài)和其歷史信息之間的關(guān)聯(lián)性，為授權(quán)用戶的信道估計、頻譜分析和動態(tài)決策提供了科學的理論依據(jù)。
　　 （3）應用統(tǒng)計學習、數(shù)據(jù)挖掘等理論，提出

6、了高效的適用于頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間-頻率維綜合預測算法，并應用于無線電頻譜監(jiān)測中的異?，F(xiàn)象檢測
　　 進行了頻譜使用狀況的預測研究，并采用多種訓練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，用實測的頻譜數(shù)據(jù)進行了全方位的性能（如預測正確率、預測丟失率等）分析，指出了最佳的訓練序列長度。其中部分數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果顯示其正確率比較高，具有實際應用的意義。此外，利用實測頻譜數(shù)據(jù)關(guān)于頻段間相關(guān)性的結(jié)論，提出了將馬氏距離應用于無線電頻譜監(jiān)測中異?，F(xiàn)象檢測的應用中，并用實測

7、的頻譜數(shù)據(jù)進行了仿真，實驗結(jié)果表明，這種基于馬氏距離、應用時間和頻率維數(shù)據(jù)挖掘的異?，F(xiàn)象檢測方法能夠有效地檢測出不同與“常規(guī)”模型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得頻譜管理工作者能夠更加敏銳地發(fā)現(xiàn)異常并做出提前處理，不失為
　　 （4）基于前面的研究成果，應用最優(yōu)化理論，提出了時隙模式下多種動態(tài)頻譜接入的優(yōu)化策略，并提出了信道可用性矢量的概念，將頻譜預測引入動態(tài)接入策略的優(yōu)化
　　 對時隙模式下非授權(quán)用戶動態(tài)頻譜接入策略的優(yōu)化問題進行了深

8、入的研究，旨在保證授權(quán)用戶的數(shù)據(jù)傳輸仍能正常工作的情況下盡力提升非授權(quán)用戶的傳輸性能。這里首先提出了旨在對傳統(tǒng)的LBT（Listen Before Talk）探測方式進行改進的最優(yōu)停止探測策略，它考慮了現(xiàn)有的信道探測技術(shù)在時間上的開銷，通過根據(jù)當前已獲得的傳輸速率選擇終止探測的最優(yōu)時機，使得非授權(quán)用戶在單個時隙內(nèi)在期望上獲得最大的傳輸速率。實驗結(jié)果表明這一探測策略確實優(yōu)于傳統(tǒng)的LBT探測方式。然后，基于頻譜測量數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，利用真實的

9、無線頻譜在頻率維存在著較高的相關(guān)性這一結(jié)論，提出了頻率維預測的思想。通過信道可用性矢量這一概念，將頻率維預測的思想引入到非授權(quán)用戶傳輸性能的優(yōu)化這一問題上，使得系統(tǒng)根據(jù)當前的狀態(tài)，自適應地做出信道探測的決策，從而優(yōu)化非授權(quán)用戶的傳輸速率。這里分別考慮非授權(quán)用戶為單信道傳輸和多信道傳輸?shù)那闆r。實驗結(jié)果表明，這種基于預測的信道探測策略進一步提升了最優(yōu)停止策略的性能。此外，還研究了非授權(quán)用戶在傳輸過程中最優(yōu)的信道切換時機這一問題，指出信道切換