（通信与信息系统专业论文）非时隙系统中的认知共存算法研究.pdf

0 1 1 1 i i 洲帅 y 2 0 6 8 6 0 0 捅要 随着无线通信技术的快速发展，系统间干扰成为了进一步提高无线系统性能 的主要障碍。在非授权频带中，由于各类无线用户的频谱接入缺乏协调，因此其 间的干扰问题尤为严重。为了缓解频谱紧张和解决系统间干扰，人们提出了认知 无线电的概念。 本文在分析频谱感知错误问题和w l a n 预测模型的基础上，重点研究了认知 共存系统中感知错误情况下的动态频谱接入问题。首先，通过研究w l a n 和 b l u e t o o t h 认知共存系统中单信道下的频谱接入过程，建立了感知错误情况下的优 化模型，提出了一种固定感知误差下的最优频谱接入策略，并研究了不同感知错 误对所提算法的性能影响；其次，针对多信道下的完全感知和部分感知情况，分 别提出了完全感知条件下的次优频谱选择接入策略和部分感知条件下的基于信道 历史信息的频谱选择策略；最后，本文还研究了i s 网络和a d h o c 网络共存系统中 的一种主级用户最优时间功率分配策略，并对该策略进行了仿真实现，分析了其 进行时间和功率分配的一般规律。 关键词：认知无线电认知共存频谱感知频谱接入时间功率分配 a b s t r a c t w l r e l e s sc o i n m u i l i c a t l o i l s1 1 a v ee x p 鲥e n c e dat r e m e n d o u sg r o w t l li i lr e c e n ty e a r s 锄da r eb e c o m i l l gu b i q u i t o u s t h er a p i dp r o l i f e r a t i o no f 晰r e l e s sd e v i c e sh a sr e s u l t e di n 锄 o v e r l yc r o w d e ds p e 酏m m a i l dm a d ei n t e r f e r e n c ea ni m p o 吨m tp e 墒咖a i l c e i r n p e d i i l l e n t 蛐r e i l c ei se s p e c i a l l ys e d o l i si nu n l i c e n s e db a l l d s ，向rh e t e r o g e n e o u s t e c h n 0 1 0 9 i e sh a v ee q u a ls p e c t n l l i la c c e s sr i g h t sw h j l el a c l ( i n go fc o o r d i n a t i o na m o n g n l e m i i lo r d e rt oa l l e v i a t ei 1 1 t e r 佗r e n c e ，c o 鲥t i v e 硼i oi sp r e s e n ta l san o v e l 丹锄e 、o r k f o ra c c e s s 锄ds h a r es p e c 仇l i l l 锄o n gi n t e m r i n g s y s t e m s b a s e do nm es t a t i s t i cp r e d i c t i o nm o d e lo f 几a n ，t l l ec 0 9 1 1 i t i v ec o e x i s t e n c e m e t h o d si ns p e c 咖s e n s i n ge r r o rs c e n a r i oa r es t u d i e di nt l l i sd i s s e n a t i o n f i r s t l y ，t h e c o n c e p t so fd y n 锄i cs p e c 觚吼a c c e s s i n g 锄dt h es t a t i s t i cp r c d i c t i o nm o d e lo fw i ，an a r ei m r o d u c e d s i m u l t a i l e o u s l y ，a no p t i m a ls p e c t m ma c c e s sa l g o r i t hb a s e do nk n o w n s e n s i n ge n o ri sp r o p o s e d 内rm ec 嬲eo fo n es h a r e dc h a n n e lb e t w e e nw l a na 1 1 d b l u e t o o t hs y s t e m s t h ei n f l u e n c eo ft h ep e 雨册锄c eo ft 1 1 ep r o p o s e dm e t h o dc a u s e db y d i 岱b r e ms e n s i i 培锄ri sa l s os t u d i e d s e c o n d l y ，o nt h eb 硒i so fs t u d i e so nt l l es p e c 铆l m a c c e s s i n gp r o c e s si nm u l t i p l es h a r e dc l l a i m e l s ，b o t has u b o p t i m a lc h a n n e ls e l e c t i o n s 位旺e g ya n d al l i s t o r i ci i l f o m l a t i o n - b a s e dc h a n n e ls e l e c t i o n s t l a t e g ya r ep r o p o s e df o rm e c a s e so f m l l yo b s e r v a t i o na i l dp a n i a lo b s e r v a t i o nr e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，l ec o e x i s t e n c e o fi n | 汹c 骶a i l da d - h o cn e 铆o r k si sa d d r e s s e d 锄da i lo p t i m a lp o w e ra i l dt i m e a l l o c a t i o na l g o r i t l l l ni si n 仃o d u c e da i l ds i i i l u l a t e d n o u 曲a n a l y z i n go ft 1 1 er e s u l to f p e r f 0 m a n c e ，n l ec h 锄c t e s t i c so f t h ea l g o r i t h ma r ec o n c l u d e d k e l ，w o i d s ：c o g n i t i v er a d i oc o g n i t i v ec o e x i s t e n c es p e c t r u ms e n s i n g s p e c 仃u ma c c e s s i n g p o w e ra n dt i m ea u o c a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 认知无线电技术的研究背景 近些年来，随着人们生产生活对无线通信业务需求的不断增长，各种无线通 信技术得到了前所未有的迅猛发展，无线通信速率也己提高到几十兆甚至上百兆 比特每秒，但即使如此仍无法满足人们日益增长的带宽需求。新的无线通信业务 不断涌现，如无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e 觚。咄w l a n ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 等，在满足人们需求的同时又造成非授权频段变得拥挤不堪。与此同时，另外一 些通信业务( 如电视广播业务等) 需要通信网络提供一定的保护，使它们免受其它通 信业务的干扰。为了给这类业务提供良好的性能保证，频谱管理部门专门分配了 特定的授权频段。与非授权频段相比，授权频段的频谱资源要丰富得多，但是相 当数量的授权频段却只有极低的频谱资源利用率。于是矛盾出现了：资源相对较“ 少的非授权频段承载着很大的业务量，而资源较丰富的授权频段的业务量却非常 少。由此可见，目前的频谱固定分配机制导致了频谱分配的极度不均衡。 根据美国联邦通信委员会( f e d e m ic o i i 】m u l l i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 的数据， 频谱分配及利用在时间和空间上的变化范围是从1 5 到8 5 【l 】。另一份研究报告【2 j 表明，甚至是在人口拥挤地区，7 0 以上的己分配频谱都没有被利用过。而来自 美国国家无线电网络研究试验床叫a t i o n a li 己a d i on e 觚o r kr - e s e a r c ht e s tb e d ， n i 斟r t ) 项目的测量报告【3 】也表明3 g h z 以下频段的平均频谱利用率只有5 2 。解 决频谱资源匮乏问题的基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。 为了缓解这一矛盾，一方面，人们不断开发新的无线接入技术，利用新的频 段资源来提供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，利用包括t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和s d m a ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等 各种多址技术提高频谱的利用率。此外，基于静态频谱资源分配体制问题的提出， 人们开始考虑是否可以允许没有频谱使用许可权的用户在对授权用户不产生任何 干扰的情况下按照“伺机 的方式工作在已授权的频段内【4 】，当然，这一定要建立 在已授权频段没有被使用或者只有很少的通信业务在活动的前提下。这种创新大 胆的思路对解决现有频谱资源缺乏的问题很有意义，后来这个概念就被称作认知 无线电。 2 非时隙系统中的认知共存算法研究 1 2 认知无线电技术的国内外研究现状 认知无线电的概念一经提出，便引起了学术界、产业界、运营商、服务提供 者和相关监管部门的关注。现在分布于许多国家的研究机构、大学和公司等都在 进行积极地研究和探索。下面就目前一些主要的认知无线电方面的研究项目进行 介绍。 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 频谱池( s p e c t l l 蛐p o o l i n g ) 系统【5 】 德国k a r l s m l l e 大学的f k j o n d r a l 教授等人提出的频谱池系统是基于o f d m 的 中心控制的动态频谱接入系统。该系统架构包括基站和移动用户，研究的应用场 景主要集中在o f d m 无线局域网( 如i e e e8 0 2 1 1 a 儋) 和g s m 网络的频谱资源动态共 享。利用o f d m 可以避免子载波之间相互干扰的特性，动态地利用可用频谱资源。 频谱池系统通过特殊设计的帧结构执行网络可用频谱资源的感知。当前，该系统 正在研究的内容包括：物理层的频谱接入检测和干扰抑制、介质访问控制层的调 度和切换等。 ( 2 ) d 鼬v e o v e rd 融v e 项卧6 j 基于移动环境下提供i p 服务的动态无线项目( d y n a m i cr a d i of o r i ps e r v i c e si n v e l l i c u l a re n v i r o 衄e n t s ，d r e ) 的目标是：通过公共协调信道在异构网络间实现 动态频谱共享。其后续项目基于移动环境下提供i p 服务的动态无线网络实现频 谱高效的单播和组播项目的目标是：通过对现有通用移动通信系统( u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u i l i c a t i o n ss y s t e m ) 无线网络进行增强和协调构成混合网络来确保 以频谱高效利用的方式提供移动多媒体服务。 目前，d 雕v e o v e rd 鼬v e 项目研究了两种动态频谱分配算法：时间动态频谱 分配和空间动态频谱分配。时间动态频谱分配是指一个无线接入网络在时间上可 以利用其它无线接入网络当前没有使用的频谱资源；而空间动态频谱分配则允许 适应不同区域的业务变化进行频谱分配。 ( 3 ) d a i 冲a x g 项目t 7 j 美国国防部高级研究计划署( d e f e n s ea d v a i l c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ， d a ，a ) 资助的下一代( x g ) 项目的目标是使得美国军用通信设备可以检测环境变 化，根据所处环境的频谱管理政策选择频谱。项目包括两个方面：一是开发提供 择机频谱接入的技术；二是开发通过灵活的政策管理无线行为方面的长期管理框 架。x g 针对对等结构的a d h o c ( 点对点) 网络通信采用完全自由的择机频谱接入的 方式。 第一章绪论 h ) e 2 r 项目l 8 j 欧盟端到端重配置( e n dt 0e n dr - e c o 血g u r a b i l 时，e 2 r ) 研究项目是d 融v e o v e r d 鼬v e 项目的扩展，研究通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类 型的无线网络融合起来，为用户、服务提供商和管理者提供更多可选服务的系统。 设计开发基于系统的可重配置设备是e 2 r 研究的直接目的，其中蜂窝、无线局 域网和数字视频广播等多种无线接入系统的共存是研究的主要内容。e 2 r 具体定义 了动态网络规划管理、高级频谱管理和联合资源管理来实现上述目标。 从频谱管理的角度来看，d 融v e 0 v e rd 硒v e 项目主要研究频谱辨识的主要问 题并提出动态频谱分配方法和技术，而e 2 r 考虑通过博弈论和微观经济学方法作为 频谱协商和动态分配的机制。在2 0 0 6 2 0 0 7 年的e 2 r 第二阶段，将从干扰温度的辨 识和量化、资源检测与频谱分配、不同时间和空间分辨率的分布式无线资源分配 的角度，利用新的设计和分析工具进行深入研究，并开发验证系统；同时，还在 德国、法国和西班牙进行频谱占用测量，以便为前述研究提供可靠的数据。 1 2 2 国内研究现状 近几年，国内对认知无线电技术的关注也开始升温。国内的研究机构、大学、 运营商以及一些厂商都已开始了相关方面的研究。 华为公司从2 0 0 5 年起就关注认知无线电的研究进展，资助相关学术研究，如 在北京邮电大学设立一些基金项目，并成为i e e e8 0 2 2 2 和8 0 2 1 6 h 工作组的成员， 赞助c r o w n c o m 2 0 0 8 等与认知无线电有关的会议。 中国移动目前对认知无线电的研究主要包括两个方面：一个方面是对中国的 频谱使用情况的测量，并为理论研究提供数据支持。另一个方面是理论方面的研 究，包括四个方面：频谱管理策略、系统和协议框架、动态频谱分配机制和频谱 感知机制。中国移动对中国频谱使用情况的测量主要是对下列7 个频段的占空比进 行测量： 表1 1 中国频谱使用情况测量表 频带( m h z ) 服务 4 l m 4 7 0 对讲机 4 7 0 8 0 6d 一h ( 超高频) 8 0 6 8 2 l和8 5 l 8 6 6 集群通信系统 8 8 0 9 1 5 和9 2 5 ，9 6 0g s m l4 5 2 14 9 2 5 数字广播 2 3 0 0 2 4 0 0i m a d v a i l c e d 2 4 0 0 2 4 8 3 5 i s m ( 工业、科学、医学) 4 非时隙系统中的认知共存算法研究 2 0 0 8 年5 月，北京邮电大学主办了中欧认知无线电系统工作会议，旨在为中欧 认知无线电系统领域提供一个交流平台，推动中欧在此领域的交流合作。与会的 中方代表分别来自政府部门、大学、运营商和一些设备厂商。会议探讨了认知无 线电的发展现状，并对前景进行了展望。会上，北京邮电大学无线新技术研究所 已开发出用于认知网络的认知导频信道演示系统原型。该演示平台成功实现了网 络信息收集、网络信息广播、终端网络选择的全部演示工程。 国家的各种科技计划，如8 6 3 计划和9 7 3 计划都已把认知无线电的相关研究立 为重点科研项目。国家8 6 3 计划在2 0 0 5 年起就支持了认知无线电相关项目，对关键 技术进行研究：2 0 0 8 年将认知网络技术列为重点支持项目。2 0 0 8 年，两个计划着 手研究“认知无线网络 ，以形成统一的新一代无线网络体系架构。2 0 0 8 年国家 自然科学基金在认知无线电领域设立重点项目群，支持3 个重点项目，重点解决频 谱认知、动态频谱管理和抗干扰等问题。认知无线网络已成为无线通信领域的研 究热点之一，而我国相关研究正紧跟世界前沿。 1 3 论文的研究内容和章节安排 1 3 1 研究内容 本文在对认知过程中的感知错误问题和w l a n 预测模型进行深入学习的基础 上，重点研究了感知有误情况下认知共存系统中的动态频谱接入问题。本文的前 半部分主要针对w l a n 系统和b l u e t o o m 系统的认知共存问题进行了研究，包括： 感知有误情况下的单信道和多信道动态频谱选择接入问题。本文的后半部分针对i s 网络和a d - h o c 网络的认知共存问题进行了研究，主要涉及主级用户根据感知结果 如何进行传输时间和发送功率分配的问题。 论文的主要工作包括： 首先分析了感知错误( 即虚报警概率和漏检测概率) 对认知过程的影响，并学习 了w l a n 用户信息传输的特点以及w l 埘系统的连续m 破o v 预测模型。 对w l a n 和b l u d o o t h 共存系统中的单信道感知错误情况下的频谱接入过程进 行了研究与分析，提出了一种固定感知误差下的最优频谱接入策略，并研究了 不同感知错误对所提算法性能的影响。 对w l a n 和b l u e t o o t h 共存系统中的多信道感知错误情况下的频谱接入过程进 行了研究。在前面提出的最优接入策略基础上，针对完全感知和部分感知情况， 分别提出了完全感知下的次优频谱选择接入策略和部分感知下的基于信道历 史信息的频谱选择策略，并对这两种策略进行了相应的仿真和分析。 第一章绪论 研究了h 】丘a s t 门l c t u r e 网络和a d h o c 网络共存系统中的一种主级用户最优时间功 率分配策略，并对该策略进行了仿真实现。通过对仿真结果的比较，分析了这 种策略进行传输时间和功率分配的一般规律。 1 3 2 章节安排 论文的第二章主要介绍认知无线电中涉及的概念及关键问题，包括动态频谱 感知接入的概念及分类，频谱感知过程中的两种感知错误概率和其对认知过程的 影响。最后，介绍了一种对w l a n 用户数据传输的预测模型连续的m 破o v 模 型，这个模型将作为后续研究的基础。 论文的第三章主要对单信道情况下存在感知误差的认知用户频谱接入问题进 行了研究，并提出了一种固定感知操作点下的最优频谱接入策略。同时，针对两 种干扰量度下的最优频谱接入策略进行了仿真，并对仿真结果进行了分析解释。 此外，对不同感知错误点下所提算法的性能进行了比较。 论文的第四章主要对多信道情况下存在感知误差的认知用户频谱接入问题进 行了研究。在第三章提出的最优接入策略基础上，分别提出了完全感知情况下的 次优信道选择接入策略和部分感知情况下的基于信道历史信息的信道选择策略。 同时，对这两种策略进行了相应的仿真和分析，得到一些有意义的结论。 论文的第五章主要对认知共存系统中主级用户进行动态频谱接入的情况进行 了研究。详细地介绍了一种现有的最优时间功率分配算法，并对该算法进行了仿节 真实现。通过对仿真结果的比较，分析这种算法进行传输时间和功率分配时的一 般规律，并指出了这种最优时间功率分配算法的适用场景。 6 非时隙系统中的认知共存算法研究 第二章认知无线电的概念 7 第二章认知无线电的概念 2 1 认知结构 认知无线电( c o g l l i t i v ei 己a d i o ，c r ) 这个概念最初是由j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年提出，并在2 0 0 0 年详细讨论了这一理论。他当年的学术论文【9 】中是这样描述的： 认知无线电可以通过“无线电知识表示语言”( r k r i ，：r a d i ok n o w l e d g e r e p r e s e m l t i o nl a i l g u a g e ) 提高个人无线业务的灵活性。认知无线电的核心思想是： 使c r 节点具备学习能力，能够感知周围频谱环境并与其它节点交互信息，用以利 用该空间域或时间域的空闲频谱，进而提高频谱利用率。这个核心思想可以利用 图2 1 来表述i lu j 。 图2 1 认知循环过程 c r 之所以可以利用过去的信息并对周围情况做出适当的判断，根本原因在于 其具有学习能力：包括感知能力和自适应能力。感知能力体现在c r 节点可以通过 感知周围环境得到频谱信息、位置信息；自适应能力表现在c r 节点通过对感知信 息和历史信息的分析，在一定的协议框架下确定自己即将使用的频段和使用时间。 2 2 认知过程 认知的主要目的是使认知用户在利用频谱机会的同时尽量降低对系统的干 扰。认知用户从闲置状态到接入信道的这个过程称为认知过程。从本质上讲，认 知过程就是一个动态的频谱感知和接入( d y n 锄i cs p e c t n 蛐s e n s i n ga n da c c e s s ， d s s a ) 的操作过程。 根据认知过程中认知用户所具有的频谱接入等级，可以将认知过程分为两种： 等级式( h i e r a r c h i c a l ) 的动态频谱接入过程【l l ，1 2 1 和共存式( c o g m t i v ec o e x i s t e n c e ) 的动 态频谱接入过程【1 3 】。 8非时隙系统中的认知共存算法研究 2 2 1 等级式的频谱接入 在一些已经分配的频带中，由于授权用户没有充分的使用他们所拥有的资源， 使得这部分频带的使用效率很低，造成了资源的很大浪费。为了提高这部分频谱 的使用效率，可以允许非授权用户在不干扰授权用户正常通信的情况下使用这部 分频带，这就形成了一种等级式的动态频谱接入( d s a ) 系统。 在这种等级式的系统中，授权用户一般被称为主级用户，而非授权用户被称为 次级用户。次级用户的资源管理目标是在一定接入限制条件下，使用动态频谱感 知和接入的方式最大化其数据传输速率。 为了避免对主级用户造成干扰，次级用户需要通过感知周围无线环境得到频谱 信息，并利用该信息使其本身信息的传输正交于主级用户的信息传输。从正交性 的实现角度出发，可以将d s a 方法划分为两大类：空域d s a 和时域d s a 。除此之 外，还存在其他正交的d s a 方法，如：码域d s a 等，但其实现更为困难。 ，颔赢户发二矗、 ，7 一二：三产： 次级用户、 7 主级用户，、 伙职_ h | 厂 i ，厶为除罾髑0 恿“酽、0 吵 、( ( ( r ) ) 主级用户 ? 、凸 ( t x ) ， 、 ， 、。 、 、 ，。 、一一一一，一。 图2 2 ( a ) 空域d s a 主级用户 分组包 时间段 图2 2 ( b ) 时域d s a 轴 如图2 2 ( 幻所示，空域d s a 通过保持足够的距离或限制发射功率来实现，其困 难在于如何得到精确的频谱感知结果。这是因为当主级用户的信号强度微弱时， 很难保证次级用户频谱感知结果的可靠性【1 4 】。如图2 2 ( b ) 所示，时域d s a 就是将次 级用户的信息安排在主级用户信息传输的空闲时间段发送。时域d s a 对感知的准 确性要求没有空域d s a 那么高，但是它需要预测主级用户信息发送的统计规律。 2 2 2 共存式的频谱接入 认知共存( c o g i l i t i v ec o e x i s t e n c e ) 是指系统中的主级用户和次级用户具有相同 的频谱接入等级，为了降低共存系统中的干扰量，次级用户利用c r 技术接入频谱。 主级用户和次级用户的区分主要源于不同的服务质量等级，即需要尽量保证主级 用户信息的正常传输【1 5 】。认知共存现象一般发生在非授权频带中，与等级式动态 第二章认知无线电的概念 9 频谱接入方式相比，共存式动态频谱接入方式使频带的利用更加灵活，甚至在系 统需要的情况下，主级用户也可以使用c r 技术。认知过程的分类如图2 3 所示。在 本论文中，我们主要对认知共存系统中的时域d s a 方法进行研究。 图2 3 认知过程的分类 2 3 频谱的感知与接入过程 一般来说，认知过程主要由两部分组成：频谱感知过程和频谱接入过程。通 过对频谱的感知，认知用户可以获取关于周围环境的频谱信息和位置信息。频谱 的接入过程表现为认知用户通过对感知信息和历史信息的分析，在一定的协议框 架下确定自己即将使用的频段和接入策略。下面，我们将详细介绍频谱的感知和 接入操作，以及其中涉及到的一些问题。 2 3 1 频谱感知过程分析 ( 1 ) 感知错误概率 频谱感知过程是指用户通过探测信道状况来识别频谱机会的过程。由于信道衰 落和噪声的存在，使得用户在感知信道的过程中不可避免地产生感知错误。感知 错误包括两种： 虚报警( f a l s e 趾黝) ：指处于空闲状态的信道被认知用户感知为繁忙的情况。 此时，频谱感知器忽略了频谱机会，如果用户完全相信感知结果的话，将会导 致频谱机会的浪费。 漏检测( m i s sd e t e c t i o n ) ：指处于繁忙状态的信道被认知用户感知为空闲的情况。 此时，如果用户完全相信感知结果的话，那么最终将会造成两个系统传输的信 息相互干扰，使其不能正确接收，反而降低了频带利用率。 我们以s 来表示信道的实际状况，用0 来表示频谱感知结果，那么，时刻用户对信 道口感知的虚报警概率和漏检测概率可以分别表示为： 虚报警概率( p f a ) ：。( f ) 全p r o 。( f ) = o i 鼠( f ) = 1 ( 2 1 ) 漏检测概率( p m ) ：皖( f ) 全p r o 。( f ) = 1i 疋( f ) = o ( 2 2 ) l o 非时隙系统中的认知共存算法研究 其中，配( ，) = l o 表示信道口在，时刻处于空闲繁忙状态，o 口( r ) = 1 o 表示感知结 果为空闲繁忙。 ( 2 ) 基于能量的频谱感知操作 信道衰落和噪声是造成感知错误的客观因素，而影响感知精度的主观性因素则 是认知用户采用的频谱感知方式。我们在本小节中介绍一种简单的基于能量的频 谱检测方式【1 6 】，并给出这种频谱检测方式下虚报警概率和漏检测概率的计算公式。 这里的结果将会应用于后面算法的仿真中。 认知用户要判断某个信道是否空闲，必须检测出是否存在其他用户正在使用 该信道。如果认知用户不知道其他用户的信息传输标准，那么基于能量的检测可 以作为频谱检测的一般性方法。 假定用户的采样频率是，那么频谱检测模型可以定义为如下简单的二元假 设检验问题： z = 置g 糍躺 p 3 ， is + m 汪l ，q ：( 疋( f ) = o ) 、7 其中，r 是认知用户的采样信号；m 表示噪声采样，服从复高斯分布吖( o ，仃；) ； s 表示其他用户的发送信号。由于不知道其他用户数据传输的标准，所以假设s 服 从复高斯分布吖fo ，仃n 是合理的。 对于上面的这类假设检验问题，最优的奈曼皮尔逊( n e y m a n p e a r s o n ) 检测模型 可以表示为： ； ：；三至兰f 丢乒三；三三 c 2 - 4 ， 【丁( y ) = 兰。阿 y 凰 v v 其中，y 是根据虚报警概率门限设定的信号检测门限，可以通过公式( 2 5 ) 得到： “沪p r 巾) 圳引小f ( ，寺) 小印州 ( 2 - 5 ) 其中， 叩刳2 南驴7 衍 r ( ) e f 。1 p 叫衍 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 此时的漏检测概率可以表示为： 嘶) 珊纵y h = f ( ，蠢卜( ，志) 亿8 ， 第二章认知无线电的概念 其中，i s ! 凇= 仃? 仃；表示其他用户在该信道上的数据发送信噪比。通过公式( 2 5 ) 和公式( 2 8 ) 可以发现：当虚报警概率一定时，检测门限由采样次数决定，漏检测 概率由信噪比和采样次数共同决定。 如图2 4 所示，我们可以看出：在相同的虚报警概率下随着采样频率和信噪 比的增加，漏检测概率逐渐降低；当采样频率和信噪比一定时，随着虚报警概 率的增加，漏检测概率也在逐渐降低；一般情况下，是不存在感知无误的情况 的，即虚报警概率和漏检测概率均为零的情况。 因为认知用户无法改变信噪比，所以只能通过改变检测门限和采样频率来调 整虚报警概率和漏检测概率，以达到满足数据传输碰撞低于定门限的同时最大 化自身的数据传输速率。 0 0 00 料 璧o 燕 萋o 萋n 赣o 迎三 0 o 虚报警概率 图2 4s n r 和采样频率对感知错误的影响 2 3 2 频谱接入过程分析 频谱的接入过程具体包括三个方面： 认知用户通过对感知结果和历史信息的分析，制定出信道的选择策略； 认知用户在一定的选择策略下，根据碰撞概率门限制定出信道的接入策略； 认知用户根据选择策略和接入策略进行信道的选择和接入过程； 其中，选择策略决定了认知用户是否能够有效的利用频谱机会，而接入策略则能 够限制认知过程对系统造成过多的干扰，两者相辅相成，缺一不可。 在本论文中，我们使用信道选择概率和信道接入概率作为两种策略的最终表 1 2 非时隙系统中的认知共存算法研究 现形式。这里，我们对信道接入概率进行如下定义：在时刻，认知用户根据感知 结果o = 臼选择接入信道的概率表示为厂( 9 ) ，如公式( 2 9 ) 所示： 厂( 臼) 会p r ( r ) = l i ( r ) = a ，o 厂( 口) l ( 2 9 ) 其中，( f ) = l 表示用户选择接入信道。可以看出，厂( p ) 从侧面反映了认知用户 对感知结果信任的程度。以公式( 2 9 ) 为基础，可以得到认知用户接入信道时的碰 撞概率约束表达式： 只( 口) = 厂( o ) + k 。厂( 1 ) a ( 2 1 0 ) 其中，a 表示信道的碰撞概率门限，表示认知用户在感知信道繁忙时接入信道 造成碰撞的概率，k 表示认知用户在感知信道空闲时接入信道造成碰撞的概率。 和k 的大小不仅与信道上其他用户的业务有关，还受到信道感知误差和信道选择 策略的影响。 通过( 2 - 1 0 ) 可以看出，为了满足碰撞概率低于门限的条件，接入概率正( o ) 和 五( 1 ) 可以进行如下方式的取值1 7 】： 若一 a ，则厂( 1 ) = 詈，厂( o ) = o “l 我们通过上述表达可以看出：如果能够选择适当的感知误差( s 。，瓦) ( 即虚报 警概率和漏检测概率) 使得k = a ，那么认知用户就可以在完全相信感知结果的情 况下不给系统造成过多的干扰，从而省略制定接入策略这一步骤，但会在频谱感 知操作中加入新的步骤选择感知误差。到底如何取舍，需要根据具体情况具 体分析。如果认知用户能够精确的预测共存用户的业务规律和数据传输信噪比， 那么就可以精确的选择出感知误差满足条件k = 口，从而简化接入策略。否则将进 一步增加认知过程的复杂度。 2 4 预测模型 因为本论文在后续的章节中主要针对认知共存系统中的时域动态频谱感知接 入算法进行研究，而该方式需要预测主级用户信息的发送规律，所以在本节中我 们先介绍一种关于w l a n 用户信息传输的预测模型作为后续研究的基础。 第二章认知无线电的概念 2 4 1w l a n 系统中的m a c 接入协议 近些年来，随着时域d s a 的提出，越来越多的学者开始进行各类系统信息传 输规律的研究，其中针对w l a n 系统的研究最多。我们在此先简单介绍一下m ，a n 系统中的m a c 接入协议。 i e e e8 0 2 1 1 中的w l a n 标准【1 8 1 9 】使用冲突避免的载波侦听多址接入协议 ( c s m ，c a ) 来控制w l a n 用户对媒质的接入操作。如图2 5 所示【2 0 】，w l a n 用户 在发送数据分组前先要对信道进行感知操作，接下来： 如果此时信道处于空闲状态，那么用户将在一段时间( d i f s ) 内保持侦听。如果 在这段时间( d i f s ) 内信道仍然处于空闲状态，那么用户将开始进行数据的发送。 当数据分组完全发送后，接收端通过a c k 信息的反馈来确认数据分组是否被 正确接收。在数据与a c k 信息之间存在着较短的空闲时间段( s i f s ) 。 如果此时信道处于繁忙状态，那么用户将推迟数据的发送，直到信道再次处于 空闲状态。此处，协议在时间段d i f s 后引入一个竞争窗口来尽量避免由多个 用户同时接入而造成分组碰撞。值得注意的是，w l a n 用户产生的随机退避时 间服从均匀分布，即在f o ，3 1 l 中均匀随机地挑出一个值f ，退避时间可以表 示为f t h = f 2 0 j l l s 。 数据发送状态 a c k 状态 d i f s ：t 1 1 ed i s 仃i b u t e dc o o r d i n a t i o n 向n 甜0 ni n t e r - f 洒es p a c e s 礤s ：s h o r ti m e 卜f a m es p a c e 图2 58 0 2 1 1 bc s 眦a 示意图 2 4 2c o n t i n u o u s t i m em 破o v 模型 本文中引入的w l a n 预测模型来自于s g e i r h o f e r 博士和l a n g t o n g 教授的研 究1 2 0 。2 2 】。文献【2 0 2 2 】通过对w l a n 用户信息传输过程进行数据的实时采集和分析， 将图2 5 中各种状态出现的规律进行了总结，其关系如图2 6 所示： 虽然信道在s i f s 阶段处于空闲状态，但是由于其持续时间很短，使认知用户 很难利用这段时间，所以这段时间被归于信道繁忙的情况。 1 4 非时隙系统中的认知共存算法研究 数据传输时间，s i f s 时间和a c k 反馈时间是连续出现的，构成了信道的繁忙 状态。 竞争窗口阶段和d i f s 阶段的持续时间长， 会，构成了信道的空闲状态。 s e m i _ m a r k o v 模型 信道繁忙 使认知用户能够利用此处的频谱机 连续m a r k o v 模型 图2 6 信道状态转移示意图 此外，文献【2 0 2 2 】以图2 6 所示的两种m a r k o v 模型为基础，分别利用m i 妯m e 分布，h ) ，p e r - e r l a i l g 分布和指数分布函数对采样数据进行了拟合，并得到了可以将 连续m 破o v 模型应用于理论研究的结论。这里信道繁忙和空闲状态的持续时间分 别服从参数为“和a 的指数分布，即空闲状态持续的平均时间表示为l 九，繁忙状 态持续的平均时间表示为1 “。 我们在此根据表2 1 的参数再现了上面提到的三种拟合曲线，如图2 7 所示。 其中，速率表示w l a n 用户数据分组的归一化发送速率，最大发送速率为2 0 0 个 分组每秒。图2 7 中所示的m i x t l l r e 拟合曲线和h y p e r - e r l a n g 拟合曲线同文献【2 2 】 中的实际采集数据基本重合。容易看出：虽然指数分布拟合曲线具有一定的偏离 度，但趋势基本相同。和前两种拟合方式相比，指数分布实现简单，特性明显， 所以在理论研究中可以假定w l a n 用户信道的状态服从指数分布特性。 表2 1 指数分布的仿真参数 速率口 o 0 5o 1 0o 2 0o 3 0 0 4 0o 5 0 l a ( m s ) 2 3 31 1 67 8 95 4 23 3 22 4 3 速率a 0 6 00 7 00 8 0o 9 0 1 0 0 l a ( m s ) 1 6 31 0 1 o 6 80 4 30 2 4 l 卢( m s ) ：2 o 速率盯= 尺，足嘲= 2 0 0 ( 分组秒) 第二章认知无线电的概念 1 5 梧 求 器 嚓 图2 7 信道空闲状态持续时间周期的累计分布曲线 2 5 本章小结 本章首先介绍了认知无线电的概念及其基本结构。接着，从认知的过程出发， 对动态频谱感知接入的两种主要分类等级式和共存式的频谱接入方式进行了 简单介绍。在本章的第三节中，我们详细地在介绍了频谱感知中存的虚报警现象 和漏检测现象，并分析了它们对认知过程的影响。最后，对一种w l a n 系统的预 测模型连续m a r k o v 模型进行了研究。这个预测模型将作为论文后续研究的基 础。 1 6 非时隙系统中的认知共存算法研究 第三章感知错误下的b l u e t o o t h 和w l a n 系统的认知共存1 7 第三章感知错误下的b l u e t o o t h 和w l a n 系统的认知共存 和空域认知算法相比，时域认知算法的适用场景更为广泛，因此越来越多的学 者对时域认知算法进行研究，并且相继提出许多和时域认知有关的动态频谱接入 算法。q 访gz h a 0 和l 锄gt 0 n g 教授主要分析了时隙结构下的频谱感知接入问题 b ，1 6 】；随后，以这种时隙结构为基础，文献 1 7 ，2 3 】通过m 诎o v 理论提出了一种感 知有误情况下的最优媒质接入算法，并给出了关于感知和接入的分离原理；文献 【2 0 2 2 】通过实验研究了w l a n 系统的信息传输规律，建立了w l a n 系统的连续 m 破o v 模型；文献 2 4 ，2 5 】以连续m 珧o v 模型为基础研究了感知无误条件下w l a n 和b l u e t o o l 认知共存系统中的跳频接入协议；其他有关时域认知的文献还包括 【2 6 - 2 9 】等。 在本章和下一章中，我们将以w l a n 系统的连续m a r k o v 模型为基础，在感 知有误的前提条件下，研究w l a n 与b l u e t o o t h 认知共存系统中的动态频谱接入 问题。和文献 1 7 ，2 3 】不同的是，所提方案中w l a n 用户( 主级用户) 采用非时隙结 构；和文献【2 4 ，2 5 】不同的是，我们考虑了感知有误情况下的认知共存系统的性能。 下面，我们先给出w l a n 与b 1 u e t o o t h 认知共存系统的模型，并在本章中对单信 道情况下的频谱接入问题进行研究。 3 1 系统模型的建立 蠢 薹 耋 数 j心蕊蕊燃 i i ，1 i 囫：心沁沁 i ，2 i 忒沁沁燃 i 臣刁i 矗忒心漆心沁蕊 liili iiil 十+： 穴1 r 囫臣繁测 ：囱 f i ： +忒渊 囫蕊删 片： ： ：。忒心蕊淄 l i l- v i i l忒燃，：，番磁、i 、。 i忒燃：囫奉心测 忒渊 坯刭 上 ：心测 蠹j忒 芝才心测 圈删信息( 主级用户)囫b l w 啪m 信息( 次级用户) 图3 1b l u e t o o t l l 和w l a n 系统的认知共存结构 1 8 非时隙系统中的认知共存算法研究 因为b 1 u e t o o t h 系统和w l a n 系统使用的频谱都是i s m 频带，所以当两个系 统的频率覆盖重叠时，其用户间存在着强烈的相互干扰【3 3 1 。由于两个系统接入 频谱的等级相同，所以可以将其作为一种认知共存模型进行研究。当二者构成认 知共存系统时，由于b l u e t o o t l l 用户信息传输随机性强且服务质量要求不高，所以 我们从时域认知的条件考虑将b 1 u e t o o t h 用户视为次级用户，将w l a n 用户视为 主级用户，如图3 1 所示【2 引。 我们从图3 1 可以看出，当b l u e t o o t l l 频带 ，露 与同一个w l a n 频带后重 叠时，b l u e t o o m 在这组频带上的感知结果是相同的，并且b l u e t o o t l l 用户接入频带 所得到的结果也是相同的。因此，我们将与同一个w l a n 频带重叠的一组b l u e t o o t h 频带简化为一个重叠信道，如图3 2 所示【2 4 】。通过这样的简化，我们仅仅需要研究 b l u e t o o m 用户如何在多个w l a n 频带之间进行选择，而不需要考虑在w l a n 频 带内的信道选择过程。 iii iiiiiiiiii iil liii iii iiii - 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