（通信与信息系统专业论文）认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配研究.pdf

摘要 i ipri pf lr li i i i i ii riij y 2 0 6 7 9 5 7 随着无线通信技术的快速发展以及人们对于通信要求的不断提高，频谱资源 日益紧缺的现状凸显了传统的静态频谱分配方案频谱利用率低下的弊端。认知无 线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术的出现为灵活高效的使用无线资源开辟了一条新的 道路，其中的动态频谱分配( d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，d s a ) 技术能够充分利用 频谱空穴中的空闲频谱，实现频谱资源的有效共享和动态管理，从根本上解决频 谱效率低下的问题，其研究具有重要的理论和现实意义。 论文重点研究了认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配技术，分别讨 论了两种网络环境下的频谱分配方法。 首先，在单一无线接入网络环境下，针对传统拍卖方法在认知无线网络动态 频谱分配中的低效问题，提出了一种基于单频段多赢家拍卖的动态频谱分配算法。 该算法在原始贪婪算法的基础上增加了多重贪婪策略，以较低的计算复杂度获得 了较优的解；改进了v c g ( v i c k e r y c l a r k e g r o v e s ，v c g ) 机制，在保留占优策略激 励兼容特性的基础上，提高了卖家的收益，有效抑制共谋的发生。仿真结果表明， 该算法的频谱分配效率接近最优分配效率，同时提高了拍卖的经济收益。 其次，在异构无线接入网络环境下，采用改进的连续双向步进拍卖机制解决 次级用户的扎堆竟价问题，并且提出了一种基于马尔可夫决策过程( m a r k o v d e c i s i o np r o c e s s e s ，m d p ) 的快速收敛算法，通过分析系统当前状态来预测未来状 态，减少竞叫价次数，提高拍卖的收敛速度。仿真结果表明，该算法能有效提高 拍卖的收敛速度和系统效用。 关键词：认知无线网络动态频谱分配拍卖理论v c g 机制 马尔可夫决策过程 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ei n c r e 瓣o f p e o p l e ，s r e q u i r e m e n t s ，s p e c t r u mr e s o u r c eh a sb e c o m es c a r c e ri n c r e a s i n g l y , w h i c hh i g h l i g h t st h e d i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a ls t a t i cs p e c t r u ma l l o c a t i o ns c h e m ew h o s es p e c t r u mu t i l i z a t i o n i si n e f f i c i e n t c o g n i t i v er a d i oh a sp r o v i d e dan e wm e t h o dt ou s et h er a d i or e s o u r c e f l e x i b l ya n de f f i c i e n t l y m o r e o v e r , d s a ( d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，d s a ) ，w h i c hi s a b l et om a k eu s eo ft h ei d l es p e c t r u mi ns p e c t r u mh o l et or e a l i z et h ee f f e c t i v es h a r i n g a n dd y n a m i cm a n a g e m e n t ，c o u l ds o l v et h ei n e f f i c i e n c yr a d i c a l l y t h er e s e a r c ho nd s a i so fh i g ht h e o r e t i ca n dp r a c t i c a li m p o r t a n c e t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h ed y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o nb a s e do na u c t i o n t h e o r yi nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k si n c l u d i n gt w od i f f e r e n tn e t w o r ke n v i r o n m e n t s f i r s t l y , i nt h es i n g l er a d i oa c c e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，i no r d e rt oi m p r o v et h e e f f e c t i v e n e s so ft r a d i t i o n a la u c t i o ni nd s ai s s u ei nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，an e w d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do no n e b a n dm u l t i w i n n e ra u c t i o ni s p r o p o s e d c o m p a r e d 诵t ht h eo r i g i n a lg r e e d ya l g o r i t h m ，t h en e wa l g o r i t h mc a na c h i e v e b e t t e r s p e c t r u m a l l o c a t i o ns o l u t i o n sw i t hl o w e r c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yb y i n t r o d u c i n gt h em u l t i p l eg r e e d ys t r a t e g y i ti n c r e a s e st h es e l l e r sr e v e n u eb yi m p r o v i n g t h ev c g ( v i c k e r y c l a r k e - g r o v e s ，v c g ) m e c h a n i s m ，w h i l er e t a i n i n gt h ed o m i n a n t s t r a t e g yi n c e n t i v ec o m p a t i b l ep r o p e r t y i na d d i t i o n , i ts u p p r e s s e st h eo c c u r r e n c eo f c o l l u s i o ne f f e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mp r o p o s e dc a n g e t s p e c t r u ma l l o c a t i o ne f f i c i e n c yc l o s et ot h eo p t i m a ls o l u t i o na n di n c r e a s et h ea u c t i o n r e v e n u es i g n i f i c a n t l y s e c o n d l y i nt h eh e t e r o g e n e o u sr a d i oa c c e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t , i no r d e rt o p r e v e n ts e c o n d a r yu s e r sf r o mt h r o n g i n gi nb i d d i n g ，a ni m p r o v e dc o n t i n u o u sd o u b l e p r o g r e s s i v ea u c t i o ns c h e m ei sa d a p t e d m e a n w h i l e ，af a s tc o n v e r g e n c ea l g o r i t h mb a s e d o nm d p ( m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s e s ，m d p ) i s p r o p o s e dt oa c c e l e r a t et h ec o n v e r g e n c e r a t e i ti sa b l et od e c r e a s et h en u m b e ro f a s k i n ga n db i d d i n gb e a c a u s ei tc o u l dp r e d i c t s y s t e m sf u t u r es t a t et h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t a t e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h mp r o p o s e dc a na c c e l e r a t et h ec o n v e r g e n c er a t ea n di n c r e a s et h es y s t e m u t i l i t ys i g n i f i c a n t l y k e y w o r d ：c o g n i t i v er a d i on e t w o r k sd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n a u c t i o nt h e o r yv c gm e c h a n i s mm a r k o vd e c i s i o np r o c e s s e s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与选题意义 无线电的频谱资源也称为频率资源，通常指长波、中波、短波、超短波和微 波等在9 k h z 3 0 0 0 g h z 频率范围内发射的无线电波的无线电频率。无线电频谱资 源是有限且不可再生资源，由各国政府部门严格控制及统一管理。政府部门将可 用频谱资源划分成固定、非重叠的频谱块，将这些频谱块以牌照的方式分配给不 同的服务和技术，获得频谱使用权的用户被称为授权用户，它们将独占这些频谱 块。这种传统的静态固定频谱分配策略避免了不同应用间的相互干扰，却造成了 无线频谱资源利用率低下的问题。近年来的调查表明，无线频谱固定分配方法导 致频谱的利用率极低，只有5 1 0 【l 】，大部分无线频谱资源被浪费。以美国为例， 美国国家无线电网络研究实验床( n a t i o n a lr a d i on e t w o r kr e s e a r c ht e s t - b e d ， n r n r t ) 项目在测量报告中指出：3 g h z 以下频段的平均频谱利用率仅为5 2 1 2 j 。 随着科学技术的不断进步以及人们对于通信要求的不断提高，无线多媒体技 术、无线局域网技术、无线个域网技术和无线城域网技术等新兴无线通信技术相 继涌现，无线通信技术的种类越来越多，使用这些技术进行无线通信的用户也越 来越多，使得无线频谱日益成为紧缺的资源。另一方面，现代无线通信已经从语 音类的小数据量传输时代进入到视频类的大数据量传输时代，对于无线信号带宽 的要求越来越高。在此背景下，传统的无线频谱固定分配方案【3 】的不合理性愈发明 显。早些时候，由美国工业、科学及医药频段( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 开始推行的开放式频谱利用策略，带来了多种重要的新兴技术与技术革新，然而， 由于多种异构网络之间的干扰，使得i s m 频段的频谱利用率也未达到理想效果， 但这没能阻止人们继续探索新方案的步伐。 为了解决频谱利用率低下的问题，近年来，基于认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ， c r ) 技术的动态频谱分配方法正逐步成为人们研究的热点。认知无线电技术的基本 思想是：在不对授权用户产生有害干扰的前提下，认知用户( 或称为次级用户) 通过频谱感知和系统的智能学习能力，以择机接入的方式接入授权用户频段或免 费频段，实现动态频谱分配( d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，d s a ) 和频谱共享，以提 高频谱利用率。认知无线电技术的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管 理分配以及提高频谱利用率等方面提供了一条崭新的道路，为无线通信的发展带 来了新的契机。 本论文选择认知无线网络中频谱资源的动态分配作为研究课题，将微观经济 2 认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配研究 学里的拍卖理论应用于构造频谱分配算法，将空闲频谱合理而高效地分配给需要 的认知用户使用，其目标是在保障用户q o s 水平的同时提高频谱利用率，并且保 证一定的经济效益及公平性，具有重要的理论意义和应用前景。 1 2 认知无线电技术的研究现状 认知无线电技术对当前已有的无线频谱固定分配方案提出了挑战，为频谱资 源的合理利用开辟了一条崭新的道路，对此，全球范围内的很多频谱管理部门对 认知无线电技术表示了明确的支持。美国电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 还为此专门组织了i e e ed y s p a n 和i e e e c r o w n c o m 两个重要的国际年会交流这方面的成果。随着认知无线电技术的发展， 世界各国的频谱管理部门、标准化组织、高校以及科研机构等都开展了相关的研 究工作。 目前，国外关于认知无线电技术的代表性研究项目主要包括以下几方面： ( 1 ) i e e e 的无线区域网络( w r a n ) 系统1 4 j 2 0 0 4 年1 1 月，i e e e 正式成立了i e e e 8 0 2 2 2 工作组，这是第一个全球范围的 基于认知无线电技术的空中接口标准化组织，系统工作于5 4 m h z 一8 6 2 m h z v h f u h f 频段上空闲的t v 信道。i e e e 8 0 2 2 2 也称为无线区域网络( w i r e l e s s r e g i o n a la r e a n e t w o r k s ，w r a n ) ，该系统中包括了一个或多个用户驻地设备( c p e ) 和一个基站，其中基站必须是点到多点，能够通过使用全向天线和一个自适应天 线阵列将下行信号发射到认知用户设备。w r a n 设备的关键之处在于免频率许可， 与电视等已有的授权用户共存。2 0 0 5 年9 月，8 0 2 2 2 工作组完成了无线区域网信 道模型和功能需求的文档编写，于2 0 0 6 年开始对各公司的提案进行审议，其标准 草案可以在i e e e 官网上下载。 ( 2 ) 德国卡尔斯鲁厄大学的频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 系统【5 】 由德国卡尔斯鲁厄大学的f k j o n d r a l 教授等人提出的基于正交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x ，o f d m ) 的动态频谱接入频谱池系统被认 为是最早的频谱分配研究。该系统把一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公 共的频谱池，频谱池中的频谱可以是不连续的，整个频谱池又可划分为若干个子 信道，认知用户可临时占用频谱池里的空闲信道。动态频谱分配要能协调和管理 主用户和认知用户之间的信道接入，主要有两种策略：一是只要频谱池有空闲的 子信道，主用户就可选择空闲信道而不中断认知用户的通信；二是主用户不考虑 认知用户是否占用信道，只要需要就占用信道，而认知用户不需切换到其他信道。 ( 3 ) 美国g e o r g i a 理工学院的o c r a 网络1 6 】 乔治亚理工学院宽带无线网络实验室的i a ne a k y i l d i z 教授等人提出基于 第一章绪论 3 o f d m 的动态频谱网络架构：o c r a ( o f d m b a s e dc o g n i t i v er a d i oa r c h i t e c t u r e ) 网 络。该网络架构是一个非常庞大的研究体系，考虑了大量异构网络的部署场景， 开发了基于o f d m 技术的解决动态频谱接入问题的跨层操作方案；针对频谱的切 换问题提出了基于o f d m 的频谱管理策略；考虑了联合重构路由以及频谱切换的 路由协议，引入多频谱传送技术，利用不连续的空闲无线频谱提供高质量的通信， 提高频谱的利用率。 ( 4 ) 美国加州大学b e r k e l e y 分校的c o r v u s 系统【7 】 由加州大学b e r k e l e y 分校的r w b r o d e r s e n 教授等人提出的c o r v u s 系统( a c o g n i t i v er a d i oa p p r o a c hf o ru s a g eo fv i r t u a lu n l i c e n s e ds p e c t r u m ，c o r v u s ) 是利 用认知无线电技术使用虚拟的免费执照频谱。该系统的目标是通过协调的方式检 测和使用频谱。c o r v u s 系统基于对频谱资源的感知，对授权用户的检测与次级 用户的频谱分配是同时进行的，增强了系统识别的能力；提出了用户分组的思想， 通过组内控制信道协调组内动态频谱使用，多个成员组用多个独立的组控制信道 以完成感知信息的交换；通过通用控制信道协调组间动态频谱分配；并提出了在? 动态频谱接入下的可靠链路维护协议。该系统建立了伯克利仿真平台：通过实验 仿真了各种频谱感知技术和算法，根据仿真结果分析系统性能。 ( 5 ) 欧洲的d r i v e o v e r d r i v e 项目i s j “ 在移动环境下提供i p 服务的动态无线( d y n a m i cr a d i of o ri p s e r v i c e si n v e h i c u l a re n v i r o n m e n t s ，d r i v e ) 项目的目标是：通过协调公共信道在异构网络中 实现动态频谱共享。该项目的进一步研究：移动环境下提供i p 服务的动态无线网 络以实现频谱高效的单播和组播( s p e c t r u me f f i c i e n tu n i c a s ta n dm u l t i c a s to v e r d y n a m i cr a d i on e t w o r k sf o ri ps e r v i c e si nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t s ，o v e r d r i v e ) 通过 对现有通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，u m t s ) 的 无线网络进行改进构成混合网络，并通过异构网络间的相互协调确保频谱提供高 效移动多媒体服务。d r i v e o v e r d r i v e 项目分别研究了基于时间和空间的动态频 谱分配算法，前者的目标是无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 在时间上 可以利用其它r a n s 的空闲频谱资源，而后者则希望根据不同区域的业务变化情 况，使频谱分配满足业务变化的需求。 ( 6 ) 贝尔实验室与s t e v e n s 理工学院的d i m s u m n e t 系统1 9 1 d i m s u m n e t ( d y n a m i ci n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to fs p e c t r u mf o ru b i q u i t o u s m o b i l en e t w o r k ) 指的是泛在移动网络动态智能频谱管理系统。d i m s u m n e t 系统是 贝尔实验室和s t e v e n s 理工学院的研究人员提出的通过协调接入频段( c o o r d i n a t e d a c c e s sb a n d ，c a b ) 实现频谱统计复用接入( s t a t i s t i c a l l ym u l t i p l e x e d a c c e s s ，s m a ) 的网络体系架构。d i m s u m n e t 系统利用协调接入频段来提高频谱的接入效率与公 平性，同时利用统计复用的接入方式，提高频谱的利用率。 !丛细无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配研究 d i m s u m n e t 系统采用了中心控制、区域网络级的频谱经纪人( s p e c t r u mb r o k e o 机制，该频谱经纪人在一定的网络范围内控制所有的“交易”，处于中心控制的地 位：d i m s u m n e t 系统还引入了无线接入网络管理器( r a d i oa c c e s s en e t w o r k m a n a g e r ) 用于管理并协调频谱的租赁。这些措施既能降低系统的复杂度与灵活性又 能提高频谱的利用率。 d i m s u m n e t 的研究重点主要有以下两个方面l m l l l ：一方面是通过对现有码分 多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术和全球移动通讯系统( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 的频谱利用率进行大量的测量，研究通过 协调动态频谱接入来提高频谱利用率的新方法；另一方面是研究宏蜂窝网络场景 下通过频谱定价完成频谱分配的机制和算法。 总之，自从认知无线电概念提出之后，关于认知无线电技术以及频谱分配的 研究一直是国外学术界的研究热点，无论是政府部门、研究机构还是个人学者， 都为认知无线电技术的发展作出了贡献，并取得了丰硕的研究成果，有望从根本 上解决频谱资源紧缺的问题，满足无线通信的快速发展。 国内关于认知无线电技术的代表性研究项目主要包括以下几个方面： 2 0 0 5 年，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 启动了面向“十一五”的快 速启动引导课题“认知无线电技术研究 ，其中包括了认知无线电技术基础理论与 方法研究、认知无线电技术核心算法与方法研究以及认知无线电系统关键技术研 究与实现等方面内容，旨在解决认知无线网络的路由与交换技术、q o s 技术及跨 层设计等关键技术。 2 0 0 5 年，移动通信设备商华为与电子科技大学等高校合作，开始从事基于认 知无线电技术的i e e e 8 0 2 2 2 和i e e e 8 0 2 1 6 标准的研究，希望能将认知无线电技术 应用于下一代智能通信设备中。同时参与了i e e e 的认知无线电标准化活动，并且 向i e e e 8 0 2 2 2 工作组递交了2 项提案。 2 0 0 8 年初，中国国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 在信息领域研究专 项中启动认知无线网络的基础性研究。同年2 月，国家自然科学基金委员会的信 息科学部根据通信领域发展趋势，在认知无线电领域设立重点资助的项目群。 国内科研机构还积极参与了欧盟第七框架e 3 ( e n d t o e n de f f i c i e n c y ) 项目。 该项目涉及认知无线电和认知网络的理论、技术、商业模式、规划和标准化等各 个方面的内容，并以国际化标准和商业化产品的实现为主要目标，目前相关标准 化工作已在i t u 、3 g p p 、e t s i 、i e e e 等组织展开。 总之，虽然国内对于认知无线电技术以及频谱分配问题的研究尚在起步阶段， 但无论是政府机构、科研机构、网络运营商还是设备制造商，都已经开始异常重 视认知无线电技术的研究发展。随着政策问题的解决、国际交流与合作的增多、 无线通信市场吸引力的扩大，认知无线电技术的发展值的期待。 第一章绪论 5 1 3 论文的主要贡献及结构安排 本文主要对认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配进行了研究，分别 提出了单一无线接入网络环境和异构认知无线网络环境下的动态频谱分配算法， 其中，作者的主要贡献在于： ( 1 ) 基于单频段多赢家拍卖的动态频谱分配 指出频谱拍卖是干扰受限而非数量受限，建立考虑了次级用户间干扰约束的 系统模型，针对传统拍卖方法在认知无线网络动态频谱分配中的低效问题，提出 了一种基于单频段多赢家拍卖的动态频谱分配算法，该算法在原始贪婪算法的基 础上增加了多重贪婪策略，以较低的计算复杂度获得了较优的解，改进了 v c o ( v i c k e r y c l a r k e g r o v e s ，v c g ) 机制，在保留占优策略激励兼容特性的基础上， 提高了卖家的收益，有效抑制共谋的发生。 ( 2 ) 基于快速步进拍卖的动态频谱分配 将网络环境扩展到异构网络情形，建立相应的系统模型，指出异构认知无线、： 网络环境下需要调控次级用户的竞价对象，防止扎堆竞价现象的发生。采用改进 的连续双向步进拍卖机制决定次级用户的竞价对象，并且提出了一种基于马尔可 夫决策过程( m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s e s ，m d p ) 的快速收敛算法，通过分析系统当 前状态来预测未来状态，减少竞叫价次数，提高拍卖的收敛速度。 本文的结构安排如下： 第一章绪论部分主要介绍了本文的研究背景和选题意义，以及认知无线电技 术的国内外研究现状，并简要介绍了论文的主要贡献和具体的结构安排。 第二章是认知无线电网络的相关知识概述。首先系统地介绍了认知无线电技 术的定义，然后介绍了认知无线网络的几种关键技术，最后重点介绍了动态频谱 分配技术，包括频谱分配技术的分类以及几种主要的动态频谱分配系统模型。 第三章是论文的重点部分之一。本章首先介绍了拍卖理论的基础知识，强调 了拍卖过程中需要注意的关键问题；其次根据拍卖理论，建立了认知无线网络动 态频谱分配的系统模型，并且指出了存在哪些问题需要解决；然后提出了基于单 频段多赢家拍卖的动态频谱分配算法，对算法流程进行了详细的介绍，同时，改 进了v c g 机制，提高了算法的抗共谋性能，并且对算法性能进行了理论分析；最 后通过仿真实验，比较了几种不同算法的性能，通过分析得出结论。 第四章是论文的另外一个重点部分。本章首先在第三章的基础之上，建立了 异构认知无线网络动态频谱分配的系统模型，指出这个新的模型中存在哪些问题 需要解决；其次采用连续双向步进拍卖机制解决问题，并且针对本模型的特点稍 作改进；然后提出基于马尔可夫决策过程的快速收敛算法，用以提高拍卖速度； 6 认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配研究 最后通过仿真实验与分析，验证了算法的性能。 第五章对全文内容进行了一个概括性的总结，并且对未来的研究工作做出了 进一步的展望。 第二章认知无线电网络概述 7 第二章认知无线电网络概述 2 1 1 认知无线电的定义 2 1 认知无线电技术 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念首先是由j o s e p hm i t o l a 博士在1 9 9 9 年其发表的一篇学术论文【1 2 】中提出的。在最初的这篇论文中，m i t o l a 博士将认知 无线电描述为通过“无线电知识表达行为语言( r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a c t i o n l a n g u a g e ，r k r l ) 来提高个人无线通信业务的灵活性。然而随着c r 技术的不断 发展，c r 的研究及应用都不再局限于其最初的范畴，不同的组织和学者从不同的 角度给出了认知无线电的理解和定义，比较有代表性的有以下几种： 1 m i t o l a 博士对c r 的定义l l 卜u j m i t o l a 在1 9 9 9 年最初发表的论文【1 2 】中将c r 定义为：“认知无线电作为软件无 线电的一种，结合了应用软件、界面和认知等功能，能够保证无线个人数字助理 和相关网络对无线资源以及通信节点之间足够的服务智能，包括检测用户的通信 要求并且提供满足这些需求的最合适的无线资源与服务 。后来在文献【1 3 】中将其 更正为：“认知无线电技术是一种智能无线通信技术，它能够持续的感知周围的通 信环境，对采集到的信息进行分析、理解和判断，最后使用r k r l 语言自适应的 调整设备内部的通信参数( 如信号发射功率、载波频率、编码方式等) 。m i t o l a 博士作为c r 领域的奠基人，给出了较为完善和理想的认知无线电定义，但是在其 给出的定义中，认知功能扮演了极其重要的角色，超出了现代的技术水平所能达 到的程度，并且其认知功能的实现主要依靠应用层和更高层的学习和推理能力， 缺乏相应的具有认知能力的物理层和链路层等体系结构的有效支撑。因此，一些 科研组织和学者开始寻求更加容易实现的c r 技术。 2 s i m o nh a y k i n 对c r 的定义【l 卅 2 0 0 5 年，著名学者s i m o nh a y k i n 发表了一篇论文，从信号处理的角度出发给 c r 作出了新的定义：“认知无线电是一种智能无线通信系统，它能够实时感知周 围环境，利用人工智能技术不断的从环境中学习，最后通过实时改变一些通信参 数( 如调制技术、传输功率等) ，使得认知设备内部的状态适应通信环境的统计特 性，达到c r 技术的最终目标随时随地的可靠通信以及对无线资源的高效率利 用 。s i m o nh a y k i n 根据这一定义，总结了认知无线电技术的三个关键问题：无线 通信环境感知、信道状态分析与预测、功率控制与动态频谱分配。 8 认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配研究 3 i e e e1 9 0 0 1 对c r 的定义【1 5 j i e e e1 9 0 0 1 将c r 定义为：“一个能够感知外部环境的智能无线通信系统，通 过对周围环境的学习，根据环境的变化动态调整其内部参数，达到预期的目的 。 i e e e1 9 0 0 1 认为c r 不仅可以通过采用人工智能技术来实现，也可以通过采用一 些简单的控制机制来实现。 4 f c c 对c r 的定义1 1 6 j f c c 在发表的n p r m ( n o t i c eo f p r o p o s e dr u l em a k i n g ，n p r m ) 中给出了c r 的狭义定义：“认知无线电是指可通过与工作环境的信息交互，改变发射机参数的 一种软件无线电。 f c c 从管理频谱的角度出发将c r 定义为一种无线电设备，认 为c r 的主体可以是软件无线电，但不一定必须具备软件或现场可编程的要求，主 要考虑的是如何提高频谱的利用率，由于其相对易于实现而被广泛认同。根据f c c 的定义，认知无线电设备需要具备以下三个特点：( 1 ) 具备环境感知能力；( 2 ) 能够 实时调整传输频点；( 3 ) 能够实时调整相关通信参数。 综上所述，从不同的应用环境或者最终目的等角度来考虑，c r 有着不同的定 义。其中，m i t o l a 博士提出了c r 的原始概念，勾画了c r 的蓝图，他所给出的 c r 定义被称为理想认知无线电或广义认知无线电；f c c 作为频谱管理部门从充分 利用频谱资源这一角度出发给出的c r 定义，主要考虑了认知用户在不对授权用户 产生有害干扰的前提下使用授权频段，仅以无线频谱资源为考虑对象，所以被称 为频谱感知认知无线电或狭义认知无线电。 2 1 2 理想认知无线电 m i t o l a 博士提出的理想认知无线电目标是使无线通信设备及相关网络，在无线 电资源分配和通信方面具有充分的人工智能，来满足认知用户的通信需求，并根 据这些需求管理和分配最合适的无线电资源和无线业务。本质上就是一个能够根 据网络和用户需求对通信参数和功能进行重构的无线电黑盒子，通过检测哪些频 谱处于空闲状态，在不影响授权用户正常通信的前提下智能的管理和利用这些频 谱。 为了实现c r 与周围环境良好的交互，理想认知无线电给出了一个应用层面上 的认知环模型，如图2 1 所示。认知环模型描述了认知无线电如何与周围无线环境 进行信息交互的过程，包括外界激励输入认知环以及最终作出决策并执行响应。 整个过程可分为持续地观察环境( o b s e r v e ) 、自身定向( o r i e n t ) 、制定计划( p l a n ) 、 决策( d e c i d e ) 和执行( a c t ) 五种状态，每种状态均涉及人工智能的学习( l e a r n ) 。 第二章认知无线电网络概述 9 观 i 一行动 图2 1 认知环模型 认知环模型各部分的功能如下： ( 1 ) 观察：c r 对周围无线环境提供的激励进行处理和分析，收集有利于提高其? 系统性能的相关信息，包括读取位置、温度等信息以及推断认知用户的通信环境。 ( 2 ) 定向：通过确定激励的优先级级别来对自己进行“定位 ，以便采取下一步 行动。优先级分为以下三种级别： 立即( i m m e d i a t e ) 例如，假设c r 的电池突然被取出，c r 将立即跳转到 “行动”阶段，保存必要的数据，使得c r 能够正常地重新启动。 紧急( u r g e n t ) - 例如，假设正在局域网中通信的c r 突然失去信号连接， c r 将紧急跳转至“决策 阶段，如切换到另外一个网络，以恢复其通信。 正常( n o r m a l ) ：在通常情况下，c r 并不需要对外界环境变化作出非常快 的响应，此时，c r 将进行正常的“计划 “决策”呻“行动 的阶段转换。 ( 3 ) 计划：产生并评估解决方案，包括把解决方案发送给网络中的其他c r 并 获取反馈意见。 ( 4 ) 决策：从多个候选方案中选择将要执行的方案。 ( 5 ) 行动：执行所选择的方案，改变通信参数。 ( 6 ) 学习：对所做出的行动进行监督或无监督的机器学习，为以后的决策提供 收益信息。 综上所述，一个完整的认知环的执行可以实现依据感知和学习信息来调整执 行不同的策略，达到最优性能。随着外部环境的不断变化，认知环也将会持续不 断的进行下去。 l o 认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配研究 2 1 3 频谱感知认知无线电 相比m i t o l a 博士的理想认知无线电，以f c c 为代表的频谱感知认知无线电主 要侧重于感知无线频谱环境，并依据一定的学习和决策算法，实时地自适应地调 整系统的工作参数( 如传输功率、载波频率、调制方式等) 。频谱感知认知无线电 的基本思想是：具有认知功能的c r 设备通过智能感知周围的频谱环境，自动搜寻 并利用未被授权用户占用的“频谱空穴”，实现与授权用户的频谱共享i l 。 频谱感知认知无线电将频谱分为两类： ( 1 ) 授权频谱( l i c e n s e ds p e c t r u m ) ：传统的固定频谱分配方案中为不同技术和 服务分配的频谱，授权用户拥有使用这些频谱的绝对优先权，但同时需要为使用 这些频谱支付相应的费用。 ( 2 ) 非授权频谱( u n l i c e n s e ds p e c t r u m ) ：免费给任何用户使用的频谱。 同时将用户也分为两类： ( 1 ) 授权用户( p r i m a r yu s e r ) ：为拥有授权频谱的使用权而缴纳了费用的用户。 在传统的固定频谱分配方案中，授权用户独占各自的授权频谱。 ( 2 ) 认知用户( s e c o n d a r yu s e r ) ：t g 称为次级用户，不拥有任何频段，而是利用 授权用户的空闲频谱进行通信的用户，认知用户的设备必须装备有c r 功能。 相应的，通信网络也被分为两类： ( 1 ) 授权网络：仅使用授权频谱进行通信的网络，它们独占某些授权频段，现 有的通信网络基本上都可称为授权网络，如蜂窝通信网络和广播电视网络等。 ( 2 ) 认知网络：不拥有任何频段，使用空闲频谱进行通信的网络。 空闲频谱( v a c a n ts p e c t n u n ，或称为w h i t es p a c e 、频谱空穴、频谱机会等) 是在频率、时间或空间上暂时未被任何用户使用的频段，包括非授权频段和授权 用户暂时未使用的授权频段，通常一段频谱可划分为多个信道。 要实现频谱感知认知无线电的功能，c r 设备应该具备的两大基本功能是认知 能力( c o g n i t i v ec a p a b i l i t y ) 和重构能力( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 。其中，认知能力能够 使c r 与周围无线环境进行交互，从而决定采用什么样的通信参数来适应无线环 境；重构能力是基于软件无线电的原理，在不改变任何硬件部分的条件下调整传 输功率、载波频率、调制方式等发射参数。从认知方面看，c r 是一个信号处理和 机器学习的过程；从重构方面看，c r 是软件无线电在执行通过认知能力决定的策 田各。 1 认知能力 认知能力指的是认知设备获取或感知无线电环境相关信息的能力，该能力不 仅包括监控一些特定时域、频域或空间域上未使用的空闲频谱，还要求获取无线 电环境的时空变化并且避免对授权用户的干扰。具备了认知能力的次级用户，能 第二章认知无线电网络概述 够发现特定时间或地点上未被使用的空闲频谱，从而能够选择最合适的工作频段 和合理的工作参数。 与理想认知无线电的认知环相对应，在频谱共享环境下，频谱感知认知无线 电的认知能力也可以由一个认知环来表示，如图2 2 所示。 图2 2 频谱感知认知无线电的认知能力 这个认知环主要包括以下3 个步骤： ( 1 ) 频谱感知：感知目标频段，发现频谱空穴并监测授权用户的再次出现。 ( 2 ) 频谱分析：对频谱感知发现的频谱空穴进行分析，获取其工作参数。 ( 3 ) 频谱决策：根据频谱空穴的特征和用户的需求选择适当的频段进行通信。 一旦工作频段被确定，认知用户的通信就将在该频段上进行。由于无线环境 的时空可变性，通信过程中任何环境的变化都可能触发认知环的循环执行。 2 重构能力 重构能力指的是认知设备根据周围无线电环境的状态动态调整传输工作参数 而并没有改变硬件组成的能力。可重构的参数主要包括： ( 1 ) 工作频率：c r 根据认知环境的信息，将工作频率调整为相应的空闲频段。 ( 2 ) 调制方式：c r 根据用户需求和频谱环境自适应地选择调制方式。 ( 3 ) 发射功率：c r 根据空闲频谱支持的功率大小在功率限制范围内重新配置。 频谱感知认知无线电通过认知和重构能力，理论上允许在时间、频率以及空 间等进行多维的频谱复用，降低了频谱和带宽限制对无线通信发展的束缚，极大 的提高频谱利用率，因此这一技术被认为是未来无线技术发展的热点。 坠认知无线网络中基于拍卖理论的动态频谱分配研究 2 2 认知无线网络的关键技术 随着认知无线电技术的不断发展，为了能够系统的、全面的利用认知无线电 技术合理的使用无线资源，组建认知无线网络( c o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，c r n ) 是下一步必须要解决的问题。理想的认知无线网络需要具备能够动态、灵活、智 能的使用频谱资源，提高频谱利用率的特点。 认知无线网络与现有的其它通信网络最大的不同在于传输的媒介即无线频谱 不是自己所拥有的，而是利用“频谱机会 择机接入别的网络。要实现择机接入 首先要能够发现频谱机会，c r n 主要通过采用频谱感知技术来发现频谱空穴并实 时检测授权用户的出现与离开；然后进入利用机会阶段，涉及到网络中各个层的 相关技术，包括物理层的传输技术、网络层的路由技术、传输层的协议及跨层设 计与优化技术。不仅如此，无论是在发现机会还是在利用机会的过程中，都会涉 及到网络的安全性问题。 为了实现上述目标，认知无线网络需要解决很多的相关问题，在这个过程中 需要攻克的关键技术包括以下几点： 1 频谱感知和检测技术【埽】 频谱感知和检测技术是认知无线网络最核心的关键技术之一，是认知无线电 得以发挥其功能的基础和前提。由于认知无线电技术是对无线频谱资源在时间、 空间和频率等多个维度上的重复利用或共享，因此认知无线电设备首先必须要感 知并分析特定区域里的无线环境，找到适合通信的频谱空穴，然后做出相应的调 整，通过改变自己