（通信与信息系统专业论文）认知无线电系统中动态频谱分配算法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着无线电通信需求的不断增长，对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用 于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。认知无线电通过 对授权频谱进行“二次利用”的方式，可以有效解决频谱资源缺乏的问题，成为近年来无 线通信领域的一个研究热点。频谱分配算法决定了无线设备的频谱使用情况，对认知无线 网络的性能起着决定作用。针对认知无线网络频谱资源的时间、空间变化特性，防止对授 权用户产生干扰，需要为其设计专门的频谱分配方式。 本文着重研究了认知无线电系统中频谱分配算法。论文首先介绍了认知无线电的基本 概念及体系结构，研究了频谱分配的原则，频谱分配的关键技术及其制约因素，给出了频 谱分配常用的理论模型。接着在中心控制方式场景下，研究了预留信道算法，介绍了马尔 可夫模型以及据此模型推出的主次用户呼损率公式。针对预留信道算法次用户呼损率较高 以及频谱利用率不高的问题，提出了改进的预留信道算法并进行仿真。仿真结果表明，与 原有的预留信道算法相比，改进的预留算法降低了次用户的呼损率，提高了信道利用率。 此外，还研究了多个蜂窝小区间的信道分配算法，将借用信道算法引入认知无线电系统， 给出了分配原则以及具体的算法，并进行仿真，仿真结果表明，与固定信道分配算法比较， 主次用户的阻塞率大大降低。 最后，对图论着色模型进行了研究，包括贪婪算法，分布式公平算法，c s g c 算法等， 分析发现这些算法都是优先考虑信道连接度或频段度之一，导致了节点分配信道的不均。 论文将连接度和频段度综合考虑，提出了反馈算法，并与现有算法仿真比较，仿真结果表 明反馈算法在信道利用率和公平性方面性能均有所提高。 关键词：认知无线电，频谱分配，预留信道，借用信道，图形着色 南京邮 乜大学硕上7 j f 究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s st e c h n o l o g y , t h ei n c r e a s eo fd e m a n df o rs p e c t r u m m a k e st h es p e c t r u mt ob es c a r c e r s p e c t r u mr e s o u r c eh a sb e e nt h eb o t t l e n e c ko fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s u s i n gt h el i c e n s e ds p e c t r u mi n ”s e c o n d a r yu t i l i z a t i o n ”w a y , c o g n i t i v er a d i oc a n s o l v ea v a i l a b l yt h ep r o b l e mo fl a c k i n gw i r e l e s ss p e c t r u m t h i sn e wt e c h n o l o g yh a sa r i s e na sa h o tt o p i ci nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s s p e c i a ls p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r e e s s e n t i a lt oa d a p tt ot h et i m e - s p a c ev a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss p e c t r u mi nc o g n i t i v e n e t w o r k s t h i st h e s i si sf o c u s e do nd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o ni nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s f i r s t l y ， w ei n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p ta n ds t r u c t u r eo fc o g n i t i v er a d i o ，a n da l s ot h e o r ya b o u ts p e c t r u m a l l o c a t i o n ，i n c l u d i n gs p e c t r u ma l l o c a t i o np r i n c i p l e ，k e yt e c h n o l o g y ，c o n s t r a i n t sa n dt h ee x i s t i n g m o d e l s t h e nc e n t e r - b a s e ds p e c t r u ma l g o r i t h m sa r es t u d i e d ，t h eg u a r dc h a n n e la l g o r i t h mb a s e d m a r k o vm o d e li sr e s e a r c h e d w ef i n dt h a tt h eb l o c k i n gr a t eo fs e c o n d a r yu s e r si sr e l a t i v e l yh i g h a n dc h a n n e lu t i l i z a t i o ni sr e l a t i v e l yl o w i nv i e wo ft h ea b o v et w op o i n t s ，w ep r o p o s ear e s e r v e d a l g o r i t h mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h eb l o c k i n gr a t e a n dc h a n n e lu t i l i z a t i o na r ei m p r o v e d w ea l s oa p p l yt h eb o r r o w i n ga l g o r i t h mi n t ot h ec o g n i t i v e n e t w o r k s t h eb l o c k i n gr a t eo fm u l t i - c e l li ss i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e b l o c k i n gr a t e so fb o t hp r i m a r y u s e r sa n ds e c o n d a r yu s e r sa r el o w e rt h a nt h ef i x e dc h a n n e l a l l o c a t i o n f i n a l l y ，t h ee x i s t i n ga l g o r i t h m sa b o u tg r a p hc o l o r i n ga r ee l a b o r a t e d ，s u c ha sg r e e d y a l g o r i t h m ，t h ed i s t r i b u t e df a i ra l g o r i t h m ，g c s ca n ds oo n a l lt h ea l g o r i t h m sa b o v eg i v e p r i o r i t y t ot h ea v a i l a b l ef r e q u e n c yn u m b e ro rt h en e i g h b o rn u m b e r w ep r e s e n taf e e d b a c k a l g o r i t h mb yc o m b i n i n gt h et w of a c t o r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef e e d b a c ka l g o r i t h m i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eb o t hi nc h a n n e lu t i l i z a t i o na n df a i r n e s s k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u ma l l o c a t i o n ，g u a r dc h a n n e l ，b o r r o w i n gc h a n n e l ，g r a p h c o l o r i n g 南京邮电大学学位论文原创性l 声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 蠢醯一日期：凌啤：。牟2 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：慈煎麴 导师签名：日期： 2 1 1 2 ：盔! 篁 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张，大量授权无线频谱却被闲 置或者利用率极低。尤其是随着无线局域网( w l a n ) 技术、无线个人域网络( w p a n ) 技术的 发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授 权的频段( u f b ) t 作。由于w l a n 、w r a n 无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的 非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务( 如电视广播业务等) 需要通信网络提供一 定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分 配了特定的授权频段( l f b ) 以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱 资源要少很多( 大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用) 。而相当数量的授权频谱资 源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承 载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低【l 】。2 0 0 2 年1 1 月f c c 发布 了频谱政策特别工作组s p t f ( s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e ) 递交的报告以数据证明了这 点，报告显示【2 1 ，某些频段大部分时间里是空闲的，一些频段只是有时被占用，剩余频段 则被过度使用。分配频段的利用在时空上变化范围从1 5 - 8 5 ，有限的可用频谱和无效的 利用使得机会地利用当前存在的无线频谱资源这种新的通信范例成为必要。 造成频谱资源紧缺的主要原因【3 】【4 1 嘲是现有的频谱管理方式和频谱分配策略。现有的频 谱管理机构主要采用固定分配频谱的方式将无线频谱分配给不同的无线通信系统，就是将 整个无线频谱划分成各种固定带宽的大小不同的频段，同时为了避免各类有害干扰，保障 各个无线接入网能够正常运行，各频谱分配算法研究频段之间预留足够的保护带宽，将各 个频谱块分配给己授权的无线接入网。在固定分配方式下，即使授权用户在某一时间、地 点没有使用其授权频谱，其他非授权用户也不能使用该频段，从而导致频谱资源在时间和 空间上的浪费，频谱利用率低下，不适应无线通信的高速发展。 针对这种不合理的频谱使用方式，文献 6 7 提出了建立频谱二级市场，对己授权频 谱进行“二次利用”，以提高频谱利用率的思想。认知无线电技术的出现使得对频谱的“二 次利用”成为可能，因而被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的方法之一，成为近年来研 究的热点。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通 信设备可以按照某种“伺机 的方式工作在已授权的频段内。 1 南京邮电大学硕 = 研究生学位论文 第一章绪论 1 2 认知无线电的研究现状 自认知无线电概念提出之后，国内外众多研究机构投身其中，进行了大量的研究与实 验，比较有代表性的： ( 1 ) 频谱共享【8 】 j o s e p hm i t o l a 博士首先提出了频谱共享池这一策略，并受到了业界广泛的关注。此 后，德国g a r l s r u h e 大学f i e d r i c hj o n d r a l 教授领导的研究组在德国联邦研究和技术部移 动通信项目的资助下，开展了频谱共享池相关技术的研究。频谱共享池的基本思想是将一 部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信 道，因此信道是频谱分配的基本单位。基于频谱共享池策略的动态频谱分配实质上是一个 受限的信道分配问题，以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的 公平性。 ( 2 ) d a r p a x g 9 1 美国国防部高级研究计划署( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 于2 0 0 3 年启动了下一代通信计划( x g ) 。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应用管理无线行为关键方面的长期管理框架。如何检测 并描述无线电环境，辨认可用频谱以及合理分配频谱构成了整个x g 项目的研究核心。 ( 3 ) c o r v u s 系统u o 】 c o r v u s 系统是由美国加州大学b e r k e l e y 分校的r w b r o d e r s e n 教授的研究组提出来 的。在c o r v u s 系统中，认知用户被分成不同的组，组内的认知用户通信可以采用中心式 的结构，也可以采用分布式的结构，存在两种通信通道：一种是信令控制通道，用来协调 新认知用户入网以及完成相关的信道分配算法；另一种是组内认知用户通信信道，用于认 知用户交流频谱感知信息和数据通信等。c o r v u s 系统同时也给出物理层的频谱感知功能、 信道估计以及数据传输功能，链路层的组管理、链路管理以及m a c 接入控制。 ( 4 ) e 2 r 项目【l l 】 e z r 是欧洲委员会第六框架项目，全称是“e n dt oe n dr e c o n f i g u r a t i o n ”。 e 2 r 系统可为多种空中接口、协议和应用提供通用的平台和相关的工作环境，通过基 于认知算法的可升级和可重配置的架构来优化资源利用；同时可重配置性可以灵活地修改 相关设备的软件设置，提高网络和设备的性能。根据e 2 r 的观点，频谱和所有无线资源被 认为是经济货物，并假定信干比( s i r ) 和功率是最重要的货物界定符，而不仅仅考虑频谱 的可用性。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 2 塑皇业! ! 盔兰堕! 塑壅竺兰丝堕茎 一 第章绪论 一一一 ： ： 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进一步深入研 究，并将开发验证系统。 ( 5 ) e e e8 0 2 2 2w r a n f l 2 j 2 0 0 4 年，i e e e 正式成立i e e e8 0 2 2 2 工作组，致力于w r a n 标准的制定，主要任务是 为没有v h f h f 频谱使用许可的设备制定基于认知无线电的p h y 和m a c 层空中接口标准， 在标准的制定过程中，w r a n 小区与主用户小区的共存问题引起了业界的广泛研究，其中合 理的动态频谱分配政策成为目前研究的热点之一。 ( 6 ) 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 于2 0 0 5 年7 月设立课题研究认知无线电技术，清 华大学、东南大学、西安电子科技大学、电子科技大学、北京邮电大学、西安交通大学等 高校参与了本课题，对认知无线电物理层和媒质接入控制层关键技术、协议体系结构、应 用场景分析等方面做了具体深入的研究，并取得了可喜的成果。 近年来引人关注的是i e e e 8 0 2 2 2 工作组的工作，该工作组在指定利用空闲电视频段 进行宽带无线接入的技术标准，取得的成果主要为以下三个方面： 1 基本理论和相关应用的研究，包括认知无线电的信息论基础和认知无线电相关技术 ( 频谱资源管理，跨层联合优化等) 。 2 实验室验证系统的开发 3 与现有系统的融合 1 3 研究意义与课题来源 认知无线电是为了解决日益紧张的频谱资源，提高频谱资源利用率而提出的，它能够 主动检测可用频谱资源，充分利用无线频谱，而频谱分配则是决定能否充分高效利用有限 频谱的关键。因此，认知无线电频谱分配问题的研究是认知无线电技术发展必须解决的关 键问题之一。 国内外众多研究者虽已提出一些认知无线电频谱分配问题模型，并且基于问题模型研 究了相关的具体算法，但基于其它理论的模型和算法仍然是学术界迫切需要的。本文研究 几种主要的算法，比如基于马尔科夫模型，图形着色模型，博弈论模型的算法等，并在前 人基础上加以改进，并仿真分析其性能上的改进。 本文所涉及的科学研究主要依托于以下三个科研课题： 3 南京邮电大学硕二l 研究生学位论文第一章绪论 国家重点基础研究发展计划资助( 2 0 0 7 c b 3 1 0 6 0 7 ) ，国家自然科学基金( 6 0 7 7 2 0 6 2 ) 和江 苏省科技计划项目( b g 2 0 0 6 0 3 9 ) 。感谢这三个课题给项目组资金以及文献方面的帮助1 1 4 论文安排 论文主要研究认知无线电动态频谱分配的相关内容，其主要内容安排如下： 第一章绪论。首先介绍了论文的选题背景，接着是现阶段认知无线电的国内外研究 现状，最后是课题的研究意义以及题目来源。使得读者对本论文的研究内容有个初步的了 解。 第二章认知无线电技术。首先是认知无线电的基本知识，其中包括认知无线电的基 本概念和主要功能，接着给出了认知无线电的体系结构，然后对认知无线电的关键技术进 行了简单的介绍，最后是认知无线电的应用。 第三章认知无线电的频谱分配理论。介绍了频谱分配的各种分类，频谱分配的原则， 频谱分配的关键技术及其制约因素，最后给出了频谱分配常用的理论模型。 第四章中心控制式频谱分配算法。首先根据马尔科夫模型给出了预留信道算法，对 预留算法进行仿真分析，并在此基础上对预留算法进行改进。接着研究了借用信道算法， 仿真及进行了性能分析。 第五章图论着色模型。研究了现有的着色模型算法，分析其不足，并给出改进算法， 并仿真分析。 第六章总结展望。对全文进行总结，并展望未来的技术。 4 南京邮电人学顾上研究生学位论文 第二章认知无线电技术 第二章认知无线电技术 2 1 认知无线电的基本知识 2 1 1 认知无线电的概念 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 的概念首先由j o s e p hm i t o l a 博士提出，他在1 9 9 9 年发表一篇学术论文【1 3 1 中首次提到了认知无线电的概念，随后在2 0 0 0 年的博士论文【1 4 】中 又进行了详细探讨了这一理论。他认为，认知无线电主要依据软件无线电【l5 】( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ，s d r ) 的思想，是一种新的以频谱共享为目的的智能无线通信技术，它可 以感知无线电传输的环境特性，通过无线电描述语言( 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 ) 与通信网络进行智能交流，来调整其无线系统参数，使系统的无线规则 满足用户通信最佳性能要求。 之后，维吉尼亚技术中心、美国联邦通信委员会( f c c ) 、国际电信联盟( i t u ) 、j o h n n o t o r 等组织和个人也对认知无线电提出了自己的定义。 认知无线电也被称为智能无线电，从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认 知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划、利 用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的资源( 包括频率、调制方式、发射功率等) 完成无线传输【2 】。认知无线电能够帮助用户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输、 甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。 认知无线电技术实质上是对频谱资源从时间、空间和频率等多维度的重复利用和共 享。认知无线电在特定频段上进行探测，如果发现该频段当前未被使用，可以在不影响主 用户的前提下使用该频段。如果该频段的主用户恢复无线传输，那么认知无线电设备就跳 转到其他频段或者通过改变传输功率、调制方式等手段来避免对主用户产生干扰。 2 1 2 认知无线电的主要功雒 一般认为，认知无线电系统应该具备检测、分析、调整、推理、学习等能力。 l i 检测 由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检测能力，必须在可 使用的全频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。由于是免许可使用， 5 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章认知无线电技术 认知无线电必须具备迅速发现主用户的能力，在工作过程中时刻检测主用户是否处于活 动状态，从而确保不对其产生干扰。 2 分析 分析包括对自身蚪i 二e 厶乜i = j p , 、网络内部状态、外部相关数据和用户自身需求等相关知识的分 析。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果分析主用户的位置、使用的频点和发射时 间，同时分析可用频点位置、可用带宽、信道状况、自身传输可能会对其他用户产生的影 响以及完成业务传输所需的带宽和时间。 3 调整 认知无线电设备通过先进的功率控制技术、动态频谱接入技术、不同的编解码以及调 制技术，选择合适的频点和发射机，从而成功地完成传输。这就要求认知无线电设备具备 较强的性能，能够在较宽的频段内实现不同传输方案之间的切换，并且在突发事件发生 后能够及时暂停或恢复传输，确保在不干扰主用户的情况下获取最大限度的传输能力。 4 推理和学习 由于当前无线频谱环境的复杂性，简单的检测、推理和分析可能无法获得较好的传输 性能。根据历史数据进行推理，获得一定的参考信息，在此基础上进行调整是一个较好的 解决方案。一般来讲，推理和学习分为三种：第一种是基于简单固定规则，即输入、输出 可以预测；第二种是基于较为复杂的模型，运用一些模糊规则，输出结果不可完全预测； 第三种是基于学习型的模型，系统运行过程中能够不断调整模型及其参数，从而获得较 好的预测结果。 事实上，这些具体功能就是一个认知循环的主要组成部分，如图2 1 所示： 图2 1 认知过程图 认知能力是通过c r 终端与周围环境的实时交互来实现的，包括三个主要的步骤；频 6 堕塞业! ! 奎堂堡：! 型! 壅圭兰堡堡苎 蔓二三至坠型垂垡生垫查 谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) ，频谱分析( s p e c t r u ma n a l y s i s ) ，频谱判决( s p e c t r u md e c i s i o n ) 。 图2 1 就是一个典型的认知能力的实现过程。认知的第一阶段是频谱感知，主要进行可用 频段的监视、频段信息的俘获以及频率空穴的探测等工作，它是开展所有工作的前提，是 认知无线电工作的首要步骤。在感知到相关的频谱空穴信息之后，就开始进行频谱分析， 即对检测到的频谱空穴进行频谱探测，并同时得到信道容量的估计值。紧接着开始第三步 骤频谱判决，即将各种信息综合起来分析，根据c r 用户的需求和频谱的实际特点选择最 适当的工作频率，并给出相应的数据速率、发送方式、发送带宽等参考工作参数。 一旦选定了使用的频谱，那么c r 终端的通信就可以实现了。然而无线环境是随着时 间和空间的变化而不断在改变的，因此c r 终端需要持续保持对周围环境的跟踪监测。如 果当前可用频谱的主用户出现使得该频段不再可用，那么认知无线电的灵活性能力就应该 能立即停止正在进行的通信工作，将频段归还主用户。并且如果c r 终端的通信尚未中断， 那么需要重新发挥认知能力，迅速找到另一可用频谱来代替，从而保持通信的不间断。 2 2 认知无线电的体系结构 2 2 1 认知无线电的体系结构模型 图2 2 为m i t o l a 提出的认知无线电体系结构模型，整个模型分为硬件和软件两部分。 硬件部分是基于软件无线电的体系结构，包括天线、射频前端、调制解调器、信息安全模 块、基带处理模块和用户接口。软件部分又分为基本软件和智能软件两部分。基本软件实 现调制解调器和基带处理模块的功能，智能软件部分利用r k r l 语言，使用无线电规则实 现与周围无线网络的智能交流，并采用支持关于用户需要的自适应学习的方式，更好的提 高通信质量。 认知无线电通过在无线域建模来扩展软件无线电的功能，通过r k r l 语言来提升通信 服务的灵活性。r k r l 语言描述的内容包括无线传输方式、通信设备、软件模块、传输、网 络、用户需求和根据用户的需求而重新加载自动配置的应用方式。 7 南京邮l 【1 人学硕七研究生学位论文第二章认知无线电技术 图2 - 2m it o l a 提出的认知无线电体系结构模型 2 2 2 认知无线电的网络结构 认知无线电网络结构可以分为集中式控制网络结构，分布式控制网络结构和混合式网 络结构三种【1 6 】。 1 、集中式控制网络 集中式控制网络如图2 - 3 ，其中所有认知终端节点，即用户驻地设备( c p e ，c u s t o m e r p r e m i s ee q u i p m e n t ) 的功能和地位相同，均由一个基站控制器( b s ) 控制和负责通信， 但是控制信道和控制信令数量庞大，对控制中心要求高。i e e e8 0 2 2 2 工作组所研究的w r a n 网络属于这种网络结构。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章认知无线i 乜技术 2 、分布式控制网络 分布式控制网络结构如图2 - 4 ，它的拓扑比较灵活，网络规模不受限制，认知终端相对 集中式认知终端的开销较大，尤其是在用户较密集且移动情况下，用户资源分配有可能受 到限制，因此分布式网络结构下需要对各用户的可用信道存在差异下用户问的路由和分簇 管理进行研究，同时认知终端节点之间需要相互通信。 3 、混合式控制网络 混合式网络结构是集中式网络控制结构和分布式网络控制结构的结合，结构如图2 - 5 。 认知终端可以具备和基站以及相邻用户直接通信的能力，一个小区内终端既可以通过基站 通信，也可以直接和相邻用户通信，既可以采用单跳方式也支持多跳方式，其中基站可作 为小区的中心控制器和区外通信的转发和接入点。 b s 图2 - 3 集中式控制网络 图2 4 分布式控制网络 9 南京邮 乜人学硕上研究生学位论文 第二章认知无线电技术 2 3 认知无线电的关键技术 图2 5 混合式控制网络 认知无线电能够感知外部环境，并能从周围环境中学习，根据环境的变化动态调整工 作频率、发射功率、调制方式等以有效利用空闲频谱，同时避免对其它系统的干扰。因此， 认知无线电网络主要关注的是机会频谱的接入，针对于此需要解决的两个问题是发现机会 和利用机会，发现机会主要通过频谱检测即认知手段来实现，而利用机会主要通过频谱管 理，频谱分配以及功率控制等手段来实现和优化。因此认知无线电网络的关键技术主要有： 频谱检测技术，频谱管理、频谱分配技术，功率控制技术和组网技术等【1 7 】。 2 。3 1 频谱检测技术 认知用户相比授权用户具有更低的频谱接入优先权。为不对授权用户造成有害干扰， 认知用户需能够独立地检测出空闲频谱及授权用户的出现。这就要求c r 用户能够实时地 连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。为对授权用户不造成有害干扰，可靠检测概率要求 达到9 9 9 。 早期的检测方法有采用导频信号和周期平稳过程特征检测等，但检测性能会随着多径 和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外检测能力本身也有一定的限制【l 引，因 此为实现可靠检测需要探索新的方法。目前的仿真和分析表明，采用合作分集的方法可达 到上述的可靠检测概率要求。合作侦听允许多个认知用户之间相互交换侦听信息，这可显 著提高频谱的侦听和检测能力。g a n e s a n 等人提出多用户单载波和多用户多载波情况下， 集中式c r 网络通过引入放大中继合作分集协议，可减少检测时间，从而提高网络的灵活 1 0 堕塞坐! ! 叁堂堡圭里! 壅竺竺丝笙兰笙三至坠塑垄垡! 竖垫查 性。考虑到实际网络中中继节点发送功率有限的情况，g a n e s a n 等人又进一步对分布式c r 网络的分集增益的提高进行了分析。但他们的研究均假设授权用户的位置已知，当授权用 户的位置未知时，w i l d 等人提出采用本振泄露检测方法【1 9 ，通过检测授权用户接收机射频 前端发射的本振泄露功率，可准确定位授权用户。此外，最新的研究表明采用物理层和m a c 层联合侦听的跨层设计方法可极大地提高频谱侦听能力【2 0 1 。这种方法通过增强无线射频前 端灵敏度，同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高检测能力，越来越受到人们 的关注。 2 3 2 频谱分配技术 由于用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的，传统的话音和无线 网络的动态频谱分配不再完全适用于认知无线电网络。但要实现完全动态频谱分配受到很 多政策、标准及接入协议的限制。因此目前基于c r 的动态频谱分配( d s a ) 的研究主要基 于频谱共享池( s p e c t r u mp o o li n g ) 这一策略。频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不 同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信道，因此信道 是频谱分配的基本单位【2 1 1 。基于频谱共享池策略的d s a 实质上是一个受限的信道分配问题， 以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。为规定用户之 间选择频谱的协商机制，m i t o f a 提出了标准的无线礼仪协议的初始框架，主要包括授权用 户与认知用户之间交互的租用频谱协议、当授权用户再次出现时服从的补偿协议、频谱使 用优先级协议等。由于认知用户本质上是一个自治的智能代理，目前的研究大多集中于动 态分布式资源分配方面。 博弈论是一种有效的分析实时c r 用户交互过程的工具。由于经典对策模型不包含学 习环节，采用一些嵌入学习功能的改进型对策模型如贝叶斯对策等，是目前研究的热点问 题。同时很多研究以图着色理论为工具丰富了认知无线电d s a 领域。采用公平的业务保证 机制的本地讨价还价方法有效地降低了算法复杂性。 这些基于合作的方法取得了一些进步，但它们为了共享相邻用户频繁交换的协作信 息，需要公共的协调协议和通信链路，必然会增加系统的复杂性和额外开销。这对于能量 受限的通信系统等并不适用。为此，提出了基于设备的频谱管理方案，其基本思路是用户 通过观察本地干扰码型，依据预先设定的适用于不同场景的规则独立决策选择信道，从而 使系统的性能、复杂度和通信成本取得折衷，该方法也称为基于规则的方法。实验结果表 明相对于合作方法，这种基于规则的方法可在提供相同通信性能的前提下将通信成本降低 1 1 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章认知无线i l i 技术 3 4 倍。 无论是基于合作的方法还是基于规则的方法，大多是用来解决多个认知用户之间如何 选择频谱以最大化利用率的问题。而当授权用户再次出现时也需考虑其信道选择的方案。 c a p a r 等人提出了两种接入方案【2 2 1 ：具有控制信道的分配和无控制信道的分配。前者是只要 频谱池有空闲的子信道，授权用户就可以选择空闲信道而不中断认知用户的通信；后者是 授权用户并不考虑认知用户是否占用信道，只要需要就占用原信道。这两种方案中，带宽 利用率和阻塞率无明显差别，而无控制信道的分配方案的强制中断率比较高，可采用智能 调度算法来降低。由于每个c r 用户都执行分配算法的分布式频谱分配机制，更适合于认 知无线电中空闲频谱空穴时变的无线环境，现有的研究更多集中于分布式频谱分配算法， 分布式频谱分配算法可分为合作式频谱分配和非合作式频谱分配。 本文将在后续章节详细阐述各种频谱分配模型以及算法。 2 3 3 功率控制技术 采用c r 技术实现频谱共享的前提是必须保证对授权用户不造成干扰，而每个分布式 操作的认知用户的功率分配是造成干扰的主要原因，因此需要探索适用于c r 技术的分布 式功率控制方法。 在认知无线电通信系统中，功率控制的实现一般以分布方式进行以扩大系统的工作范 围，并提高接收机的性能【2 3 1 。而在c r 系统的发送端的功率控制不仅要求能满足合适的信 号覆盖范围，还将受到干扰温度和所能获得频谱数量等网络资源的限制。在多用户传输的 c r 系统中，用户之间存在着功率竞争现象。在给定的网络资源限制下，用户可以通过某 种形式提高其信道传输性能，同时叉促使其他用户依次同样工作。基于这样的特点，可以 采用信息论或者博弈论来解决这个难题。基于信息论解决方法称为的反复注水法，发送端 在增益较多的子信道上分配更多的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量， 甚至不分配能量，从而在整体上充分利用现有资源，达到最大传输容量。基于博弈论方法 研究的功率控制问题中每个用户都希望能最大化自己的效用，功率控制问题被归结为一个 非合作的博弈问题。 2 3 。4 信道状态估计以及容量预测 为了解决信道状态估计问题，一般采用如下两种方法：差分检测、导频传输。他们各 1 2 南京邮电火学顶l 研究生学位论文 第- z 章认知无线f l ! 技术 有优缺点。差分检测法鲁棒性强，实现简单，但是接收端的帧差错率( f e r ) 显著下降，所 需信噪比( s n r ) 代价高。导频传输法接收机性能虽然得到了提高，但是使用导频在发射功 率和信道带宽方面是要付出代价的。基于上述两种方法的结合，可以使用半盲训练的方法 达到性能和带宽资源的折衷，这种方法既不同于全盲处理的差分检测法，也不同于指导处 理的训练序列传输法。 信道状态信息是随时间变化的，可由状态空间模型表述。动态噪声和度量噪声的特征 决定了使用怎样的状态空间模型。高斯噪声环境下，使用高斯状态空问模型，可用传统的 卡尔曼滤波器进行信道状态的跟踪；非高斯噪声环境下，使用非高斯状态空间模型，可用 粒子滤波器进行跟踪。 信道估计的结果可用来计算信道容量。用于控制发送端的信号能量，可使用香农定理 对信道容量进行计算。另外在信道容量分析过程中，系统反馈时延的影响和高阶马尔可夫 模型的使用也是两个值得考虑的问题，一定条件下会影响到通信系统的性能。 2 4 认知无线电的应用 认知无线电技术在宽带无线通信系统中有着广泛的用途。基于i e e e8 0 2 1 l b g 和i e e e 8 0 2 1 l a 的无线局域网设备工作在2 4g h z 和5g h z 的不需授权的频段上。然而在这个频段 上，可能受到包括蓝牙设备、h o m e r f 设备、微波炉、无绳电话以及其他一些工业设备的 干扰。具有认知功能的无线局域网可以通过接入点对频谱的不间断扫描，从而识别出可能 的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，自适应地选择最佳的通信信道。 另外，具有认知功能的接入点，在不间断正常通信业务进行的同时，通过认知模块对其工 作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，从而可以尽快地发现非法的恶意攻击终端。这样 的技术可以进一步增强通信网络的安全性。同样，将这样的认知技术应用在其他类型的宽 带无线通信网络中也会进一步提高系统的性能和安全性。 在授权频谱上主要有以下应用【2 4 】： l 、农村地区 农村地区人口密度较低，现有的毋须使用许可的业务，比如无线因特网服务提供商 ( w i s p ) 、无线局域网( w l a n ) 等在目前的无线法规规定的功率限制下，在农村地区不能 提供充分的信号覆盖。然而农村地区，频谱并没有被高效利用，因而在不对法定业务造成 干扰的情况下，采用认知无线电技术在农村地区提高这些业务的传输功率是比较可行的。 2 、频谱第二市场 1 3 南京邮l 乜火学硕一l 研究生学位论文第二章认知无线f 也技术 f c c 已经分步采取了措施，允许和促进频谱用户通过签订由市场驱动的频谱租赁协议， 接入需要使用许可的频段。目前在许多无线电业务中，频段使用权拥有者可以自由地与想 接入该频段的频谱用户达成自愿协议。显然，认知无线电能够在技术方面使双方更加容易 达成协议。潜在的频谱承租方必须具备接入机制( a c c e s sm e c h a n i s m ) 的能力，即能够识 别可用频谱以及与法定用户协商；同时，频谱出租方也要有复归机制( r e v e r s i o n m e c h a n i s m ) ，即从承租方收回频谱使用权的能力，这些机制对频谱第二市场租赁行为的成 功与否至关重要。 目前，相当数量的一些无线电业务频段拥有者可以自由出租频段，但是在技术方面的 交易费用却相当昂贵。认知无线电技术能够自动协商部分或者全部的租赁协议机制，从而 可以降低交易成本。租赁协议一般用于规定可用的频谱、频谱的时空位置等信息。在认知 无线电技术出现之前，通常频谱租赁参与方之间要提前达成租赁协议；而认知无线电技术 的出现，使频谱租赁活动以及频谱出租方和承租方之间的协商活动变成了实时的、a dh o e 式的，无需提前达成协议从而大大节省了通信开销。 频谱的出租方和承租方之间可以通过通信链路来交换可出租的频谱信息以及使用该 频谱的条款和要求，通过这种方式，频谱出租方能够控制并跟踪承租方对频谱的使用情况。 同时，交易的安全性可以通过采用公钥结构( p k i ) 机制等目前工业界广泛采用的技术进 行加强。 3 、动态合作式频谱共享 认知无线电设备通过感知周围环境以及根据环境相应地利用频谱的能力，为频谱共享 提供了新的途径。许多许可业务和其附属设备工作在同一频带内，相互之间可以通过合作 降低干扰。 ( 1 ) 许可业务之间的合作 在目前的政策下，许可业务之间的同频段频谱共享行为有一种预先合作( p r i o r c o o r d i n a t i o n ) 式的流程，通常要求共享申请者分析他们共同使用频谱的时候会对该频谱 的授权用户所产生的干扰，通常这种分析是基于最坏情况( t h ew o r s tc a s e ) 考虑的。当 频谱共享条件不频繁变化的时候，认知无线电技术通过无线电知识描述语言进行相互交 流，从而实现预先合作，将是一种十分有效和实用的共享方式。 ( 2 ) 非正式a dh o c 共享机制 这种机制通常应用在具有不可提前预测的频谱使用模式的不同业务频带上，这种应用 依赖于本地频谱协调者，需要通过手动跟踪的方式测试某区域内的频谱使用情况，并向各 方通知尚未使用的频谱信息。而认知无线电技术则能够实时收集信息并自动选择波形，从 1 4 南京邮电大学硕一f j | 研究生学位论文第二章认知无线电技术 而使合作更加高效。 4 、提高通信系统间的互操作性 认知无线电设备具有自动辨识需要桥接( b r i d g e ) 系统和用户的能力，这能够促进系 统间互操作性的提高。设备能够对从一个系统接收到的波形、调制模式及频率作出实时的 调整，从而提高与其他系统的互操作性。 5 、m e s h 网络 m e s h 网络依赖网络中的每一个节点收集并传播消息，在网络中采用中继传递消息的方 式来优化频谱的使用。在m e s h 网络中，每个发射机都采用点对点的方式与周围的发射机 通信；同时也模拟路由器的功能，对从邻接节点那里接收到的消息进行中继转发。通过这 种中继过程，消息能够被其他的发射机路由到它的目的地。基于c r 技术的m e s h 网络可以 通过相邻节点间低功率的传输来传递消息，将更有利于实现频谱的开放接入，从而带来更 加高效的频谱利用率。 2 5 本章小结 本章详细介绍了认知无线电技术，为以后更深入地理解认知无线电频谱分配作了铺 垫。2 1 节介绍了认知无线电的基本知识，包括认知无线电的基本概念，主要功能。2 2 节是认知无线电的体系结构，包括体系结构模型和网络结构。2 3 节对认知无线电中的频 谱检测技术，频谱分配技术，功率控制技术，信道状态估计以及容量预测等关键技术进行 了概述。2 4 节简单介绍了认知无线电技术在各方面的应用。 1 5 南京邮【乜大学硕上研究生学位论文第三章认知无线电的频瞒分配理论 第三章认知无线电的频谱分配理论 3 1 认知无线电网络中动态频谱分配 3 1 1 频谱分配的分类 基于各种不同的分类准则，频谱分配技术有不同的分类方法。常见的分类方式如下【2 5 1 ： 1 、按分配方式分类 按分配方式分类可以分为静态频谱分配、动态信道分配。 静态频谱分配是指按固定的频谱分配表将频谱分配给系统内各用户，