基于模糊马尔可夫链预测的CR频谱接入算法

基于认知无线电（CR）的动态频谱接入技术,近年成为研究热点,但大部分算法都是根据当前授权用户的频谱活动情况来指导认知用户的频谱接入。本文研究了一种基于模糊马尔可夫链预测模型的动态频谱接入算法,该算法结合授权频段空闲时长的统计规律和模糊理论对信道状态进行预测,认知用户结合自身要求和信道状态的预测结果选择接入。仿真结果验证...     

认知用户基于预测的动态频谱接入算法

频谱接入技术的关键是解决认知用户如何选择合适的空闲信道以及认知用户间如何实现频谱共享.在公共控制信道较难获得的情况下,基于部分可观测Markov决策过程(POMDP)的频谱预测算法,可以显著地提高系统的吞吐量;由于认知用户之间缺少接入信息的交换,使得多个认知用户在同一时隙接入同一信道的冲突概率较大.针对多用户竞争冲突问题,通过引入竞争反馈的偏差因子,并利用均衡的混合信道选择策略对认知无线网络动态频谱接入过程进行研究.通过大量仿真对认知用户的吞吐量和频谱利用率以及碰撞率进行分析,研究表明,均衡的混合信道选择策略可以有效地提高系统的吞吐量及频谱利用率.     

认知无线电网络信道选择机制

认知无线电网络通过动态频谱接入来提高无线频谱资源利用率,而节点目标信道选择的优劣直接决定了频谱接入性能的好坏. 本文首先综合考虑信道增益和空闲时间两种因素,设计以实现最大化系统容量的目标信道选择机制,然后引入信道热度概念,提出一种多属性决策信道选择机制. 仿真结果表明,多属性决策信道选择机制在系统吞吐量和频谱利用率性能上都有明显的提高.     

认知用户基于频谱特征的动态频谱接入算法

认知无线电频谱接入技术的关键是指导认知用户如何选择合适的空闲信道以及如何在认知用户间实现频谱共享。在公共控制信道较难获得的情况下,基于部分可观测 Markov 决策过程（POMDP）的频谱预测算法,可以显著地提高系统的吞吐量。认知系统如果不加区分地使用授权频谱将可能导致所选择的频谱空洞不能满足认知用户需求。针对认知用户对不同信道容量的需求,引用适量选择原则,并运用融合接入策略,研究认知无线网络动态频谱接入过程。另外,通过大量仿真对认知用户的吞吐量和系统碰撞率进行分析,结果表明融合接入策略可以有效地提高系统的吞吐量及系统碰撞率。     

基于信道预测的认知无线电混合频谱切换算法

针对认知无线电网络,提出了一种将被动式频谱切换与主动式频谱切换相结合的混合频谱切换算法。该算法基于主用户信道的连续时间马尔可夫链模型,预测出信道的未来状态信息,根据该预测结果周期性地对正在通信的认知用户执行主动式频谱切换。该算法对于由于碰撞而退出信道的认知用户执行被动式频谱切换。仿真结果表明,相对于被动频谱切换算法,混合频谱切换算法在保持认知用户阻塞概率和中断概率不变的前提下可显著减少认知用户和主用户间的碰撞次数,能够提高认知无线电网络的频谱利用率。     

业务类型感知的认知无线电动态频谱选择算法

在分析认知无线电的业务类型与主用户频谱空穴时长之间关系的基础上,提出一种认知业务类型感知的动态频谱选择算法.通过将认知业务接入到与其服务时长相近似的主用户频谱空闲时间隙中,结合认知用户的业务类型动态选择空闲信道,降低认知业务与主用户业务冲突的概率,增加主用户频谱空闲间隙的使用效率.模拟结果表明,本算法能够有效地降低认知用户的业务冲突率,进一步提高频谱资源的利用率.     

混合式动态频谱接入协议的研究

为了避免认知用户对主要用户的干扰,实现了频谱移动性的要求,提出了一种Ad Hoc认知无线电网络下的动态频谱接入协议.先使用分布式频谱侦测技术,建立基于AdHoc认知无线电的网络模型.认知用户利用马尔科夫模型预测可用频段,从而在每个时隙选择预测的可用频段进行侦测,降低设备技术要求,并节约能量.最后,给出了相应的认知无线电频谱接入方案和频谱分配算法,为每一条空闲频段选择合适的通信组,实现系统频谱利用的最大化.     

基于动态跳频的频谱接入*

在认知网络中,为了克服频谱接入方案中系统吞吐量普遍偏低的缺点,运用动态跳频技术,提出一种可以使次用户顺利切换到其他信道同时增加系统吞吐量的频谱接入新方案,并利用部分可观察马尔可夫决策过程描述这一问题;最后进行了数值验证。     

基于隐马尔可夫模型的短波认知频率选择方法

针对短波频谱利用率低下及频率选择不够智能的局限性,提出一种基于隐马尔可夫模型(HMM)的短波认知频率选择方法。应用认知无线电原理,将短波传统用户作为主用户,将采用认知无线电技术的短波电台作为认知用户。首先,建立隐马尔可夫模型,结合频谱感知历史数据预测主用户信道状态;其次,在预测空闲的基础上估计信道参数;最后,根据估计的信道参数选择最优频率。仿真结果表明,所提方法能够准确预测传统短波用户信道状态,快速估计信道参数。在设定的仿真条件下,所提方法的成功传输率分别较HMM预测和能量感知随机信道选择方法有5.54%和10.56%的提升,能够选择最优信道。     

分布式认知网络中多用户频谱接入算法研究

认知频谱接入技术通过感知侦测并伺机接入空闲频带,大大缓解了频谱资源稀缺和利用率低下的矛盾.在未知信道占用信息情况下,认知用户如何快速找到最优空闲信道,并避免相互之间的冲突,是认知接入算法的难点和关键技术.本文中提出一种低复杂度的分布式认知接入算法,通过学习物理层的感知结果和链路层的发送确认信息,同时获取主用户的信道占用概率和从用户之间的冲突概率,能快速选择感知信道,并有效避免了从用户之间的竞争.仿真结果表明,该算法在未知信道占用概率信息的情况下,网络平均吞吐量明显优于贪婪等算法,很好地解决了认知网络中多个从用户频谱共享问题,同时收敛速度较快.     

基于POMDP的跨层机会频谱接入优化设计

在功率受限的机会频谱接入(OSA)研究中,大多使用完全可观测马尔可夫决策过程(MDP)对环境建模,以提高物理层或介质访问控制(MAC)层指标,但由于感知设备的限制,无法保证用户对环境完全感知。为解决该问题,提出一种基于部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)与Sarsa(λ)的跨层OSA优化设计方案。结合MAC层和物理层,采用POMDP对功率受限且有感知误差的次用户频谱感知和接入过程进行建模,并将其转换为信念状态MDP(BMDP),使用Sarsa(λ)算法对其进行求解。仿真结果表明,在功率受限条件下,该Sarsa(λ)-BMDP方案的有效传输容量、吞吐量和频谱利用率分别比完全可观测Q-MDP方案低9%、7%和3%左右,其误比特率比基于点的值迭代PBVI-POMDP方案低20%左右,比Q-MDP方案高16%左右。     

基于POMDP的信道感知接入算法

在认知无线电中,为了最大化次用户的吞吐量,同时对主用户的干扰低于预定值,提出一种基于POMDP的信道感知接入算法。次用户将主用户信道在时间轴上细分成等间隔的时隙,在每个时隙开始时,次用户从频谱感知、以较高的功率接入信道和以较低的功率接入信道三种可选策略中选择最优的策略。将次用户的选择过程建模成一个POMDP问题,并采用一些相应的最优策略求解。计算机仿真结果验证了算法的有效性。     

Adaptive sensing scheduling for cognitive radio systems

In cognitive radio (CR) systems, the efficiency of primary user (PU) detection scheme directly affects the system performance. In this paper, we propose an adaptive sensing scheduling scheme for CR networks with a central controller, which is based on the partially observable Markov decision process (POMDP) framework. With the proposed scheme, the CR system detects the PU activation by using one or more energy detections followed by zero or one feature detection, and protects the PU by using the channel switching. In the proposed scheme, the energy/feature detections and the channel switching are adaptively scheduled according to the number of active CR nodes, the received signal power from a PU, and the degree of noise uncertainty. Simulation results show that the proposed scheme provides very high maximum channel utilization to CR nodes while protecting the PU effectively, under time-varying network environment.     

基于部分可观测马尔可夫决策过程的水声传感器网络介质访问控制协议

针对水声传感器网络低带宽、高延迟特性造成的空时不确定性以及网络状态不能充分观察的问题,提出一种基于部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)的水声传感器网络介质访问控制协议.该协议首先将每个传感器节点的链路质量和剩余能量划分为多个离散等级来表达节点的状态信息.此后,接收节点通过信道状态观测和接入动作的历史信息对信道的占用概率进行预测,从而得出发送节点的信道最优调度策略;发送节点按照该策略中的调度序列在各自所分配的时隙内依次与接收节点进行通信,传输数据包.通信完成后,相关节点根据网络转移概率的统计量估计下一个时隙的状态.仿真实验表明,与传统的水声传感器网络介质访问控制协议相比,基于POMDP的介质访问控制协议可以提高数据包传输成功率和网络吞吐量,并且降低网络的能量消耗.     

Online pricing for bandwidth provisioning in multi-class networks

We consider the problem of pricing for bandwidth provisioning over a single link, where users arrive according to a known stochastic traffic model. The network administrator controls the resource allocation by setting a price at every epoch, and each user’s response to the price is governed by a demand function. We formulate this problem as a partially observable Markov decision process (POMDP), and explore two novel pricing schemes––reactive pricing and spot pricing––and compare their performance to appropriately tuned flat pricing. We use a gradient-ascent approach in all the three pricing schemes. We provide methods for computing unbiased estimates of the gradient in an online (incremental) fashion. Our simulation results show that our novel schemes take advantage of the known underlying traffic model and significantly outperform the model-free pricing scheme of flat pricing.     

多信道无线通信功率分配的最优化决策

研究了基于有损Gilbert-Elliott信道的多信道无线通信功率分配的最优化决策问题,利用部分可观测的马尔可夫决策过程（POMDP）和数学语言建立并描述理论模型,提出了具有一般性的功率分配方案,并给出问题的最优决策的各项性质和特征。在三维信道的通信系统上,进一步给出最优决策的空间结构,利用线性规划仿真验证了其正确性,并分析了最优决策随信道转移概率的变化趋势。     

基于终端分组的非正交随机接入资源分配方案

为了解决机器到机器(Machine to Machine,M2M)通信中的冲突碰撞、资源短缺等问题,提出了基于终端分组的非正交随机接入和数据传输(Non-Orthogonal Random Access and Data Transmission based on Terminal Grouping,TG-NORA-DT)方案。首先,根据能量消耗速度对机器类型通信设备(Machine Type Communication Devices,MTCDs)进行分组,并对组设定优先级,优先级高的组MTCDs优先分配接入资源。其次,利用到达时间的差异,识别出选择相同前导码的多个MTCDs,且在随后的接入过程中实现冲突MTCDs的功率复用。最后,基于TG-NORA-DT方案,提出一种资源分配方法,以实现在物理随机接入信道(Physical Random Access Channel,PRACH)和物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)间的资源合理分配。仿真结果表明,与正交随机接入数据传输协议(Orthogonal Random Access and Data Transmission Protocol,ORADTP)和非正交随机接入的数据传输(Non-Orthogonal Random Access-Data Transmission,NORA-DT)方案相比,TG-NORA-DT方案提高了系统吞吐量和资源利用率,降低了前导码冲突概率,其中资源利用率提高了20%以上。     

Analysis of models of the integral cellular communication network with different schemes of channel partitioning

Two schemes of partitioning the shared channel pool between the calls of speech and data in the integral cellular communication networks were proposed. One uses the isolated partitioning procedure, the other, the virtual partitioning. The isolated partitioning forbids channel reassignment from one zone to another, whereas the virtual partitioning relies exactly on this procedure. In both schemes, the voice calls first occupy the free channels in their zone, and only if the channels of this zone are occupied, then a free channel is sought in another zone only for the handover voice call. In this case, the maximal number of handover speech calls in the zone of channels for data calls is limited. A scheme constraining the access of such calls depending on the total number of data calls in the cell is used to establish a rule for access of new data calls to the channels. Methods were developed to calculate the indices of service performance with the proposed access strategies. The results of numerical experiments were presented, and for different access strategies the indices were compared.     

A New Contention Resolution Procedure for HFC Access Networks and its Performance Evaluation

Bidirectional Cable TV networks using hybrid fiber coaxial (HFC) systems are good examples of broadcast environments where a contention resolution algorithm is needed in order to allocate the multiaccess medium among various customers. The medium access control (MAC) scheme, proposed by DAVIC/DVB, IEEE 802.14 and DOCSIS for the upstream channel of HFC access networks is based on a mixable contention-based/contentionless time slot assignment. Contention-less (CL) slots are assigned by the head-end (HE) to end stations according to a reservation scheme. Contention-based slots (CB) are randomly accessed by active terminals without any prelimanry allocation and so collisions may occur. To resolve contention the contention tree algorithm has been widely accepted by the DVB/DAVIC, IEEE 802.14 and DOCSIS standards for MAC because of higher throughput and lower access delay. In this paper we propose a simple modification to the existing protocol and analyze its performance. We propose to have one slot in the frame exclusively reserved for the new arrivals that wish to access the channel capacity using contention resolution and atleast one more slot reserved for resolving their contention if there was a contention in the arrival slot. This assumption simplifies the protocol to a queuing mechanism and we use the results of the queue to analyze the protocol. The queuing analysis method is used to determine the throughput of the channel and waiting times of the arbitrary customers. Furthermore, we present numerical results and compare that with simulations.