（通信与信息系统专业论文）认知无线网络中感知导频信道的设计与优化研究.pdf

淫 | i i i l llii l l li ii1 1 11 q 1 1 1 1 1 l y 17 6 0 2 6 1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与堪有不实之处， 本人签名：钇芝二茎 本人承担一切相关责任。 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 一 日期：2 2 芝芝：2 ：主z 日期： 皿受：2 ：主z 摘要 频信道的设计与优化研究 要 多种无线接入技术的出现使得用户 并且由于这些无线接入技术在技术 异构网络的融合将成为一种趋势。 认知无线电技术的研究使得这种趋势变成了一种可能。而在此基础 上提出的认知无线网络的研究则将认知的理念扩展到了网络的层次 上，使得网络中的元素，包括终端、基站等设备，能够感知周围网 络环境的运行状况及变化并做出相应的决策和响应，从而完成异构 无线资源的优化管理和利用。为了推动认知无线网络的实现，在欧 盟的端到端重配置( e n d t o e n dr e c o n f i g u r a t i o n ，e 2 r ) 项目以及端 到端效率( e n d t o e n de f f i c i e n c y ，e 3 ) 项目中，提出了对感知导频 信道( c o g n i t i v ep i l o tc h a n n e l ，c p c ) 的研究。其目的是通过一个公 共的信道把网络所感知的信息发送给终端，以辅助终端在一个陌生 的异构网络环境中完成开机或是切换时的网络选择功能。 目前，对感知导频信道的研究还处于起步阶段，相关的研究成 果并不丰富。本文主要是针对现有研究中的一些盲点提出的对感知 导频信道的优化设计研究。包括感知导频信道覆盖区域下的网格 ( m e s h ) 划分机制以及感知导频信道的信息收集、更新和纠错流程 设计。论文中介绍了认知无线网络的概念及关键问题研究，同时通 过一次实地的频谱测量工作反映了认知无线网络以及感知导频信道 研究的必要和重要性。然后介绍了感知导频信道的概念及相关的研 究成果，提出了对感知导频信道的扩展应用。之后，通过对在感知 导频信道中影响终端接收信息准确度的几个关键因素的定量的分 析，提出了基于信息准确度的网格划分方法，以提高感知导频信道 中无线接入网络信息的可靠度，从而提高感知导频信道的工作效率。 在此基础上，基于现网及未来网络的相关研究，设计了感知导频信 道中信息的收集，更新及纠错的流程和相应的功能模块，以实现感 知导频信道信息的动态维护，提高发送信息的准确度。本论文所提 出的感知导频信道的研究，将有助于完成感知导频信道的实现，促 摘要 进认知无线网络的研究进展，完成异构网络融合的目标。 论文最后对全文进行了总结，并指出了今后的研究方向。 关键词：认知无线电技术，认知无线网络，频谱测量，感知导频信 道，网格划分，信息准确度 r i g s e 剐r c ho nd e s i g na n do p ，n m i z a t i o no f c o g n i t i v ep i l o tc h a n n e li nc o g n l 7 n v e w i r e l e s sn e i t w o r k i nt h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ec o e x i s t e n c eo f m u l t i 一脚p r o v i d e sm o r ec h o i c e st ou s e r sw h e na c c e s s i n gt oas e r v i n g n e t w o r k a n dt h ec o m p l i m e n t a r ye s s e n c e so ft h e s er a r sm a k ee a c h n e t w o r ka ni n d i s p e n s a b l ep a r to ft h em o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m 1 n h er e s e a r c ho nc o g n i t i v er a d i o ( c r ) t e c h n o l o g yh a sp r o m o t e d t h ec o n v e r g e n c eo ft h e s eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s a n db a s e do nc r t e c h n o l o g y , t h ep r o p o s a lo fc o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r k ( c w n ) e x t e n d s t h ec o g n i t i o nc o n c e p tt on e t w o r kl e v e l ，w h i c he n a b l e st h en e t w o r k e l e m e n t s ，i n c l u d i n g u s e rt e r m i n a l ，b a s es t a t i o na n do t h e re q u i p m e n t s ，t o a c q u i r et h eo p e r a t i o ni n f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n dt h e n t og i v ec o r r e s p o n d i n gi n d i c a t i o na n dr e s p o n s e b yt h i sm e a n ，t h e o p t i m a l m a n a g e m e n ta n du t i l i z a t i o no fh e t e r o g e n e o u sr a d i or e s o u r c ec a nb e r e a l m e d t oa c h i e v et h ec o n v e r g e n c eo fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k i nt h e e u r o p e a np r o j e c te n d - t o e n dr e c o n f i g u r a t i o n ( e 2 r ) a n de n d t o e n d e f f i c i e n c y ( e j ) ，t h ec o n c e p to fc o g n i t i v ep i l o tc h a n n e l ( c p c ) w a s p r o p o s e d ，w h i c hi su s e dt os e n dc o g n i t i v en e t w o r ki n f o r m a t i o nt ou s e r t e r m i n a l st h r o u g hap u b l i c c h a n n e l ，i no r d e rt oa s s i s tt h en e t w o r k s e l e c t i o nw h e ns w i t c h o no rh a n d o v e ro fau s e rt e r m i n a lt a k e sp l a c ei na h e t e r o g e n e o u se n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nc o g n i t i v ep i l o tc h a n n e li st ob ef u r t h e r s t u d i e d t h i st h e s i sa i m sa tt h eb l i n ds p o ti n p r e s e n t r e s e a r c ha n d p r o p o s e d s e v e r a l o p t i m a l m e c h a n i s m sf o r c p c ，i n c l u d i n g t h e i n f o r m a t i o na c c u r a c yb a s e dm e s hd i v i s i o nm e c h a n i s ma n dt h e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n ga n du p d a t i n gp r o c e d u r ef o rc p c i nt h eb e g i n n i n g o ft h i st h e s i s ，t h ec o n c e p ta n dk e yt e c h n o l o g i e so fc o g n i t i v ew i r e l e s s n e t w o r ka r ei n t r o d u c e d a n dt h e n ，s u p p o r t e db yal a r g e s c a l es p e c t r u m m e a s u r e m e n tf i e l d w o r k t h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo ft h er e s e a r c ho n c o g n i t i v er a d i on e t w o r ka n dc o g n i t i v ep i l o tc h a n n e la r ed i s c u s s e d i n t h ef o l l o w i n gs e c t i o n ，t h e s p e c i f i cc o n c e p t a n dr e l a t e dr e s e a r c ho n c o g n i t i v ep i l o tc h a n n e l a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o ns c e n a r i o sa r e a l s op r e s e n t e d t h e n ，b a s eo nt h es p e c i f i ca n a l y s i so fk e yf a c t o r sw h i c h h a v eg r e a ti n f l u e n c e so nc p ci n f o r m a t i o na c c u r a c y , t h ei n f o r m a t i o n a c c u r a c yb a s e dm e s hd i v i s i o nm e c h a n i s mi sp r o p o s e dt oi m p r o v et h e c p ci n f o r m a t i o nr e l i a b i l i t ya n dc p cw o r ke 珩c i e n c y o nt h i sb a s i s t h e i n f o r m a t i o n c o l l e c t i n g a n du p d a t i n gp r o c e d u r e sa n dc o r r e s p o n d i n g f u n c t i o nm o d u l e sa r ed e s i g n e dt oa c h i e v ed y n a m i cm a i n t e n a n c eo fc p c ， w h i c hg u a r a n t e e st h ei n f o r m a t i o na c c u r a c yi nt h em e a nt i m e t h es t u d y o fc p ci nt h i st h e s i sc a nc o n t r i b u t et ot h ea c c o m p l i s h m e n to fc o g n i t i v e p i l o tc h a n n e l ，a n da l s os t i m u l a t et h er e s e a r c ho nc o g n i t i v ew i r e l e s s n e t w o r ka n dp a v ef o rt h eg o a lo ft h ec o n v e r g e n c eo fh e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k a s u m m a r yo ft h ew h o l et h e s i si sg i v e na tt h ee n d ，w h e r et h ef u t u r e s t u d yd i r e c t i o n sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o t e c h n o l o g y , c o g n i t i v e w i r e l e s s n e t w o r k ，s p e c t r u mm e a s u r e m e n t ，c o g n i t i v ep i l o tc h a n n e l ( c p c ) ，m e s h d i v i s i o n ，i n f o r m a t i o na c c u r a c y 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 4 1 2 4 2 2 4 3 2 5 2 5 1 2 5 2 2 5 3 2 6 2 7 2 8 第三章 3 1 3 2 3 3 3 3 1 3 3 2 3 3 3 3 4 3 4 1 3 4 2 3 5 3 6 第四章 4 1 认知无线网络中感知导频信道技术研究1 2 背景介绍1 2 感知导频信道概念1 3 感知导频信道的信息编码方式1 5 感知导频信道的信息传递模式1 5 广播方式的c p c ( b r o a d c a s tc p c ) 1 6 点播方式的c p c ( o n - d e m a n dc p c ) 1 6 组播方式的c p c ( m u l t i c a s tc p c ) 1 7 感知导频信道的执行方式1 7 带外感知导频信道( o u t - b a n dc p c ) 1 7 带内感知导频信道( i n b a n dc p c ) 1 8 联合带内带外感知导频信道( c o m b i n e dc p c ) 1 9 感知导频信道的扩展应用场景2 0 ，j 、结：! ：! 参考文献2 3 基于认知的感知导频信道的最优网格划分机制2 4 背景介绍2 4 网格划分问题概述2 5 基于信息准确度的网格划分机制2 6 网格中网络信息的选择标准2 6 信息准确度的关键影响因素2 7 网格信息准确度指数3 0 性能评估3 l 可靠度验证方法3 1 仿真结果及分析3 2 刀、l ；等：；! ； 参考文献3 5 基于认知的感知导频信道的信息收集和更新机制3 7 背景介绍3 7 1 2 2 2 4 4 5 6 6 o o 目录 4 2 c p c 中网络信息的收集过程3 8 4 3 c p c 中网络信息的更新过程4 0 4 3 1 c p c 信息周期性的更新过程4 0 4 3 2新的无线接入网络的加入4 1 4 3 3 新的基站加入网络4 2 4 3 4 终端辅助的c p c 信息更新流程。4 2 4 3 5 c p c 信息错误率4 6 4 3 6 c p c 反馈检测信息内容4 7 4 4 c p c 信息收集及更新功能模块设计4 7 4 4 1 信息收集模块4 8 4 4 2 终端辅助信息更新功能模块。4 8 4 5 ，j 、结5 ( ) 4 6 参考文献5 0 第五章总结和展望5 1 5 1论文总结5 1 5 2未来研究展望5 2 致谢! ；：； 硕士期间发表论文及申请专利情况5 4 北京邮电大学硕：论文引言 引言 在未来的无线通信系统中，网络宽带化、业务多样化将成为无线通信技术的 最大特征。为了满足用户不断增长的业务需求，适用于不同场景的多种无线接入 技术( r a d i o a c c e s st e c h n o l o g y , r a t ) 应运而生。然而，这些新的无线接入技术 的出现以及现有的固定频谱分配模式使得无线网络面临频谱资源日益匮乏的巨 大挑战，更加剧了资源紧缺和业务需求之间的矛盾，制约了无线通信网络的发展 和运营。但已有的研究表明，频谱资源的匮乏并不是由于频谱本身的缺乏，而是 由于固定的频谱分配技术使得大多数的频谱资源难以得到灵活充分的利用。为了 缓解频谱资源紧张的问题，一种解决办法是推进各种相互独立的无线接入技术的 全球化技术融合，通过共享现有的频率资源并对频谱资源的再分配达到提高频谱 资源的利用率的目的。认知无线电技术就是在这样的背景下被提出来，它能够连 续不断地认知外部环境的各种信息，并对这些信息进行分析、学习和判断，然后 将认知的结果传送给终端，以便终端选择最合适的无线接入网络。而认知无线网 络的提出，更将认知的功能提高到了整个通信网络系统的层次上：通过认知当前 网络的运行状态进行规划、决策和响应，最终完成从网络设备到终端设备的端到 端重配置，保证整个网络能够始终提供可靠的通信，达到最佳的频谱利用率。在 这样一个认知的过程中，最为重要的一点是要能够将网络认知获得的信息通过有 效的途径传递给终端，以实现对网络认知信息的有效利用。为此，基于认知的感 知导频信道技术应运而生。 本文首先在第一章中介绍了认知无线网络研究过程中涉及的关键技术，并通 过对北京地区实际的频谱测量工作验证了认知无线网络研究以及感知导频信道 研究的必要性和重要性。在之后的第二章中，通过对目前感知导频信道研究详细 调研，提出了感知导频信道的扩展应用场景。同时，为了提高感知导频信道传递 的信息的准确度，在第三章中提出了基于信息准确度的网格划分机制并通过仿真 验证了此机制的有效性。在此基础之上，第四章里设计了感知导频信道信息的收 集，更新和纠错流程，完成了对感知导频信道的优化设计，解决了目前对感知导 频信道研究中的一些盲点。 北京邮电大学硕士论文第一章认知无线网络中的关键问题研究 第一章认知无线网络中的关键问题研究 1 1 认知无线网络的概念 自从1 9 9 9 年m i t o l a 博士首次提出认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概 念【卜1 1 ，并系统地阐述了c r 的基本原理之后，认知无线电技术作为一种革命性 的前沿技术，越来越受到学术界及产业界的重视。认知无线电技术通过连续不断 地认知外部环境的各种信息，对这些信息进行分析、学习和判断，然后通过无线 电知识描述语言与其它认知无线电终端进行智能交流，以选择合适的工作频率、 调制方式、发射功率、介质访问协议和路由等i 卜。 而认知无线网络是从认知无线电的基础发展而来的，并不同于认知无线电技 术。在认知无线电技术中，认知过程被用于单个节点自身的性能优化，而认知无 线网络则将认知的概念从无线环境拓展到网络环境中【1 2 】【】，使得认知的过程贯 穿于整个通信系统。认知无线网络能够察觉并获取当前网络环境信息，通过对网 络状态的学习和处理进行规划和决策，然后完成网络重构的以适应动态的无线网 络环境，其工作原理如图1 - 1 所示： 图1 - 1 认知网络工作机理小如 认知无线网络应该具备以下主要特征：网络协同功能，对网络环境的认知和 学习能力，对环境变化的自适应能力，对网络资源的动态管理和系统功能模块、 协议的可重构能力。同时，认知无线网络也应具备扩展性和灵活性以适应未来网 络优化的目标。 1 2 认知无线网络研究中的主要问题及关键技术 认知无线网络不仅需要具有认知能力，还要能够将所认知的信息传递给相应 的网络元素，通过网络重构实现对网络资源尤其是频谱资源的优化利用，同时， 通过对认知获得的信息的学习，提供网络性能优化的目标和手段。因此，认知无 2 北京邮电大学硕士论文第一章认知无线网络中的关键问题研究 线网络研究的主要问题及关键技术应包括以下几个方面： 认知技术 作为认知无线网络中最为重要的一部分，认知技术是整个认知无线网络实现 的基石。认知无线网络必需首先通过认知技术获得网络环境的信息，如频谱占用 状况，网络负载状况，网络质量等，然后将这些认知的结果反馈给网络并基于这 些认知信息实现对网络的配置和资源管理功能。目前较为广泛的认知技术是频谱 检测技术，其目的是在整个频段上寻找空闲的频段，即频谱空洞，因此需要各个 网络能够实时的掌握频谱使用的信息【圳。 动态频谱管理 目前的频谱分配方式是固定的频谱分配策略，这种分配方式使得在部分频段 上，出现了频谱紧缺的状况，而另一部分频段则处于很低的利用率。在认知无线 网络中，采用了动态频谱分配( d s a ，d y n a m i cs p e 斌r u ma l l o c a t i o n ) 的策略1 1 - 5 】， 在融合了多种无线接入网络的异构无线通信系统中，它能够通过动态、智能的分 配策略，根据无线通信环境的变化为各个接入网络在不同的时间上协商分配频谱 资源，从而提高频谱的利用效率。 智能联合无线资源管理 未来无线网络的最大特征就是多种无线接入技术共存。对于终端来说，重叠 覆盖的多种无线接入技术能够提供更多的接入选择，并满足不同的业务需求。联 合无线资源管理( j r r m ) 就是在此基础上提出的，它通过联合会话接纳控制、 联合会话调度、联合负载控制和切换等功能实现个对多个无线网络的资源分配， 提高整个通信系统的性能，并保证用户获得最佳的业务体验【1 叫。 感知导频信道 在认知无线网络中，感知导频信道是实现认知功能的桥梁。在异构的环境下， 面对多种无线接入技术，终端需要选择一个最佳的接入点。尤其是当终端开机时， 由于动态频谱分配技术或是其他灵活的频谱管理技术的出现，终端对周围的环境 “一无所知”。而感知导频信道则能够通过一个固定的信道，将认知获得的信息 传递给终端，使得终端根据相应的信息和自身需求选择出合适的接入网络i ”】。 端到端重配置技术 异构网络的融合是未来无线通信发展的趋势。但是由于缺乏有效的协调，目 前的多种无线接入技术难以实现真正的融合并动态的共享无线资源。而端到端重 配置技术( e n d t o e n dr e c o n f i g u r a t i o n ，e 2 r ) 提供了这样一个技术融合的最佳 途径【懈以以伽。通过终端乃至基站的动态协议栈配置和软件下载，添加必要的网元 实体和功能，使得网络元素能够将自身配置并工作在不同的模式，使用不同的无 线接入技术，实现对多种网络动态的优化的资源利用。 基于认知的无线传输技术 3 北京邮电大学硕士论文第一章认知无线网络中的关键问题研究 在认知无线网络中，由于多种无线接入技术的共存，需要研究相应的资源传 输方法，在复杂的多域环境( 无线、网络和用户环境) 下充分利用认知获得的资 源分布及状态信息，利用空间、时间、频率实现信息的高效传输，并支持用户根 据网络环境和业务需求进行可重构的自主传输，提高认知无线网络的传输效率。 1 3 认知无线网络中的频谱测量研究 认知无线网络的研究需要建立在对现有频谱资源利用状况的详细了解之上。 为了更好的了解我国的频谱占用情况，同时为认知无线网络寻找可实验的频段， 需要对现有频谱的占用状况做详细的测量，为认知无线电在我国的发展提供实际 依据。本节介绍了一次对北京地区典型场景下的频谱占用度测量状况，并对测量 结果有了详细的对比和分析。 1 3 1 测量频段 不同场景下频谱的利用情况是不同的。在i m t - a d v a n c e d 的建议中，测量场 景一般可划分为：乡村、郊区、城区、密集城区、热点地区5 个典型的场景【l - 1 1 1 。 每个场景的无线环境不同，测量时间也会有所不同。一般来说，对于特定频段的 小规模频谱测量工作，测量时间一般由测量的需求而定；在大规模的频谱测量工 作时，考虑到测量结果需要能够准确地反映出在各个时间段的频谱占用状况，需 要大量的涵盖多个时间段的测量样本，因而需要长时间的连续测量。 在2 0 0 8 年3 月，北京邮电大学无线新技术实验室展开了对北京地区典型环 境下的频谱占用度的测量，测量频段为4 1 0 m h z 2 5 0 0 m h z i l l 2 1 。在借鉴国内外已 有的测量方案的基础上【l - 1 3 4 1 5 1 ，共选取了4 个典型测量场景( 热点一中关村普 天、城区一雍和宫诺西大楼、密集城区一北邮信息网络中心、郊区一北邮宏福校 区) 作为测量地点，每个地点的测量时间约为7 天。测量频段如表2 1 所示： 表1 - 1 测量频段 4 1 0 4 7 0 m h z主要用作对讲机频段 j ： 4 一r o 8 0 6 m h z主要用作广播频段 8 0 6 8 8 0 m h z主要用于集群通信系统和c d m a 系统 8 8 0 9 6 0 m h z主要用于g s m 系统 1 4 5 2 1 4 9 2 5 m h z卫星通信l 频段 2 3 0 0 - 2 4 0 0 m h zi m t - a d v a n c e d 测试频段 2 4 0 0 - 2 4 8 3 5 m h zi s m 频段 4 北京邮电大学硕士论文 第一章认知无线网络中的关键问题研究 1 3 2测量设备 测量设备搭建如图1 - 2 及图1 - 3 所示： 图1 - 2 测量设备搭建示意图 频谱分析仪 图1 3 实物搭建图 如图1 3 所示，数据采集、处理设备需放入中静电屏蔽箱中，所有有源设备 由稳压电源提供能量支撑以保证设备的安全性。天线接收的信号通过射频电缆传 5 北京邮电丈学硕十论文 第一章认知无线网络中的关键问题研究 送到与频谱分析仪中。经频谱分析仪的处理，测量所需的频率采样点的功率值将 实时的被记录下来并储存在笔记本电脑中去。测量采用直接存储原始功率值数据 方法，以便后期分析时能够进行全方面的数据处理及分析。 1 3 3测量门限确定 在测量中，使用的是在噪声峰值上加3 5d b 作为划分信号与噪声的门限。 这种方法的好处是能够将绝大部分的噪声滤除，虽然会使一些小信号被判为噪 声，进而造成测量结果的误差，但避免了由于噪声波动过大而将噪声判决为信号 的情况出现。门限确定如图1 4 所示： 一 。 j l _ i i 。l - 一 ”岬州岫洲m 俐忡州删忡脚州州州删岬岬州w 惭帕岬i i l i i d锄 f 鲫h z l 锄 图1 _ 4 门限确定方法 这种方法带有一定的主观性，但是能够将噪声和信号较好地分离开来。从而 获得较为可靠的结果，在门限确定过程中，为确保小信号能够被尽可能地判断出 来，可通过反复比较在不同门限下的占用度的变化，在保证信号和噪声能够比较 准确的被划分的情况下，尽可能将门限取低。 1 3 4 测量结果分析 测量结果的分析主要是建立在对频谱占用度在时间、空间、和频率上分布不 同的分析之上，以观察频谱占用度的变化情况。以下的测量结果分析主要以北京 邮电大学的测量结果为主。 频谱占用在频率上的对比分布 图1 5 是在北京邮电大学进行的持续一周的频谱占用度测量结果展示。 6 研究 北邮一周测量翔谱占用情况( 2 3 0 0 m 2 f 1 2 0 m ) 图1 5 各采样频点一周平均占用度 图1 5 为在一周内，测量的各采样频率点的平均占用度，由图可以看出，在 各频率点上，频谱占用情况并不相同，最高的占用度约为1 0 0 ，而最低的占用 度约为o 。在频率分布上，各频段的占用状况并不相同，有许多的频段并没有得 到充分的利用。这为认知无线电技术以及认知网络的研究提供了良好的参考频 段。 在部分无线通信系统所使用的频段上，如g s m 系统，c d m a 系统所占用频 段，由于终端的发射功率较小，以及天线架设位置问题，难以测到终端所发送的 上行信号。因此本次的测量结果中并没有讨论这些系统上行信道所用频率的占用 状况。 频谱占用在时间上的对比分布 图1 6 是对4 7 0 8 0 6 m h z 频段连续测量2 4 小时的占用度状况： 7 北京邮电大学硕士论文第一章认知无线网络中的关键问题研究 图1 - 64 7 0 - 8 0 6 m h z 频段各采样频点占用情况 如图1 - 6 所示，在一段频谱内，出现了几段有较高占用度的频段，最高的占 用度将近为1 0 0 。但是在部分频段上，对于这些频段的占用并不是始终如一的， 如图中框图所示部分，这些频段在夜间基本未被使用，出现较长时间的频谱空洞。 图1 - 6 显示了频率采样点是否被占用，而图1 7 则是对相同频段在相同的时 间段内所做的频谱占用度统计图。即以小时为单位计算4 7 0 8 0 6 m h z 各频点的占 用度情况输出结果，统计时间为2 4 小时，统计结果如图1 7 所示： a 9 a a a 7 警0 5 幻0 5 0 0 3 a 2 0 - o 北邮3 胄 l ，t 2 矗嚣，粕占用震蔓他懵况f 彼小野绒谤 图1 - 74 7 0 - 8 0 6 m h z 频段各采样频点占用度变化( 以小时统计) 如图1 7 所示，与图1 - 6 相对应，在图2 6 中部分频段未被占用的时间点上， 图1 7 中的相应占用度值出现了较大的落差，在这些时间段内占用度基本为o 。 通过图1 - 6 与图1 7 的直观显示，不难发现，即使是同一频段，在不同的时 间内，其占用状况也是不同的。因此，通过对这些频段的长期统计和研究，并结 8 北京邮电大学硕士论文第一章认知无线网络中的关键问题研究 合认知无线网络的多种关键技术，能够有效地提高这些频段的频谱利用效率。 频谱占用在空间上的对比分布 图1 8 及图1 - 9 是对同一段频谱在不同地区进行的频谱占用度对比测量： 1 2 ) 0 5 芎 a ：l l i卜_ 管- 1 ：，刮 日 一 一 一 。 。i i鬈，。- | 。1 7 卯咖鲫锄咖鲫瑚 啊) 1 5 - 1 临2 0 ：0 0 t o1 b m 甜2 d ：a w r a g ed u t yc i r c l e = o 0 4 3 3 i 稿 i 藏 l - f 一 i i 幽8 0 0 u , 锄锄咖 锄 瑚 i ：i 。 | i | ： ： ： ： ：0 0 ii 。 。 i l ：0i m 辇一l 2 0 ：0 0 l | l 。叶 榭要l ： 1 4 ： 0 8 ：0 0 i。j 萎1 0 2 ：0 0 2 0 ：0 0 锄锄咖鼬7 d 07d咖 删嘲 1 2 - m a y2 0 ：0 0t o1 3 - m a y2 0 ：0 0a v e r a g ed u t yc i r c l e = 0 0 3 0 7 m 九； i -ii i 锄锄锄加7l删gm 图1 - 9 北京邮电大学宏福校区4 7 0 - 8 0 6 m h z 频段各采样点2 4 小时占用情况 如图所示，可见即使是同一段频谱，在不同的地区，其占用度也是不尽相同 的。在图1 - 9 所示的靠近8 0 0 m h z 附近的频谱，在1 4 点之后以及晚上2 2 点之后， 出现了两次较低的频谱占用区间，而在图1 8 的相应频段，则始终保持着较高的 9 | | | | |一 | | j | | | | j | | | | 北京邮电大学硕士论文 第一章认知无线嗍络中的关键问题研究 占用。这种频谱占用的在空间上的分布不均匀，体现出了无线网络环境的复杂性。 通过对这些频谱占用在不同频率、时间、空间上的分布状况研究，增强了对 了认知无线网络研究的必要性，并能够发现可用于认知技术的频段；另一方面， 也反映了在认知无线网络研究的过程中，认知过程的复杂性。对于网络环境的认 知，必须是实时的动态的。正是由于这种认知过程的动态性和实时性，增加了终 端在进入认知无线网络时对周围无线环境掌握的困难程度。因此，需要通过一种 有效的手段和技术，来辅助终端开机或是切换时快速的了解自身所处异构无线网 络的信息，选择最合适的无线接入网络。从实际情况出发，进一步验证了感知导 频信道研究的必要性和重要性。 1 4 小结 在本章中，首先介绍了认知无线电和认知无线网络的概念，以及它们之间的 差别。并提出了认知无线网络研究中的几个关键问题。同时，在对认知无线网络 有了基本了解的基础上，对北京地区的4 个场景做了一次较大规模的频谱占用度 测量研究。对频谱占用度的研究可以为认知无线电技术等用于异构网络的下一代 无线通信技术寻找可用频段。在此基础上，利用对这些频段占用情况的掌握和相 应频谱技术的研究，将有助于认知无线网络的建立，促进异构网络的融合过程。 另一方面，通过对测量结果的分析，不难发现频谱的使用状况是并不是一直不变 的。在未来的认知无线网络中，这种无线环境的动态变化将极大地增加终端在选 择网络时的困难。需要寻找有效地方法使得终端在这样一个变化的环境中快速的 选择合适的接入网络。从而验证了感知导频信道的必要性，并为之后感知导频信 道研究作了铺垫。 1 5 参考文献 【1 - 1 】 【1 - 2 】 【1 - 3 】 【1 - 4 】 j m i t o l a ，g e r a l do m a g u i r e ，“c o g n i t i v er a d i o ：m a k i n gs o f t w a r er a d i o s m o r ep e r s o n a l ，i e e ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 6 ，n o 4 ，p p 1 3 - 1 8 ， a u g 1 9 9 9 畅志贤，石明卫，“认知无线电技术综述 ，视频技术应用与工程，2 0 0 7 年第8 期3 1 卷：1 3 0 1 3 3 王金龙，龚玉萍，李玉川，“认知无线网络中的多域认知 ，解放军理工 大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 8 年第6 期第9 卷：5 6 5 5 6 8 m c h e n r ym s p e c t r u m w h i t e s p a c em e a s u r e m e n t s ”，n e wa m e r i c a 1 0 1 1 1 0 】 1 】 2 】 【1 - 1 3 】 【1 - 1 4 】 h t t p ：e 2 r 2 m o t l a b s c o m h t t p s ：i c t e 3 e l l i t u - rs m1 5 3 6f r e q u e n c yc h a n n e lo c c u p a n c y m e a s u r e m e n t s 2 0 0 1 中华人民共和国无线电频率划分规定【e b o l 】2 0 0 6 0 9 0 5 h t t p ：f f b e i j i n 9 2 0 0 8 c n u p l o a d d c 1 - a l l o c a t i o n s _ c n p d f m a t t h i a sw e l l e n s ，j i nw ua n dp e t r im i i h o n e n ，“e v a l u a t i o no fs p e c t r u m o c c u p a n c yi ni n d o o ra n do u t d o o rs c e n a r i oi n t h ec o n t e x to fc o g n i t i v e r a d i o ”【c 】，p r o c e e d i n g so f2 n di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o g n i t i v er a d i o o r i e n t e dw i r e l e s sn e t w o r k sa n dc o m m u n i c a t i o n s ( c r o w n c o m 0 7 ) ，a u g1 - 3 ， 2 0 0 7 ，o r l a n d o ，f ku s a ，2 0 0 7 ：4 2 0 - 4 2 7 段洪涛“频谱占用度测量及相关参数确定”【j 】中国无线电， 2 0 0 7 0 ) ：6 - 1 5 w e l d l i n ged a t l ad ，p e t r yve ta 1 “af r a m e w o r kf o rr f s p e c t r u m m e a s u r e m e n t sa n da n a l y s i s ”【c 】，p r o c e e d i n g so f1 s ti e e ei n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u mo nn e wf r o n t i e r si nd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sn e t w o r k s ( d y s p a n 0 5 ) ，n o v8 - 1 1 ，2 0 0 5 ，b a l t i m o r e ，m d ，u s a p i s c a t a w a y , n j ，u s a ：i e e e ，2 0 0 5 ：5 7 3 5 7 6 1 1 北京邮电大学硕士论文第二章认知无线网络中感知导频信道技术研究 第二章认知无线网络中感知导频信道技术研究 2 1 背景介绍 随着无线通信技术的发展，无线通信技术正朝着高速化、宽带化和智能化的 方向发展。并涌现出了多种无线接入技术来满足用