（信息与通信工程专业论文）认知无线电网络中的功率控制关键技术研究.pdf

南京邮电大学硕上研究生学位论文摘要 摘要 随着信息时代的到来，无线通信业务和需求的快速增长，频谱资源的缺乏日益严重。 如何进一步提高频谱利用率，从而进一步提高系统容量和通信服务质量是下一代无线通信 亟待解决的问题。认知无线电被认为是实现频谱资源重复利用的最佳技术。功率控制是认 知无线电系统的关键技术之一既要避免干扰主用户，保证主用户通信质量，又要保证认知 用户的速率性能达到要求，实现频谱利用率的提高。 本论文基于现代博弈理论，深入研究了认知无线电的分布式功率控制技术。主要工作 和创新点如下： 首先，本文应用完全信息重复博弈来实现认知无线电的功率控制，通过一次博弈达到 的纳什均衡点往往不是帕雷托最优的。因此本文分析囚徒困境条件下的重复博弈，严格证 明了所采取的严厉的触发战略是子博弈精炼的，并推导出了折扣因子的范围。通过选择严 厉的触发策略，当折扣因子满足条件时，两用户在无限次重复博弈中一直合作使囚徒走出 了困境，最终达到了帕雷托最优的均衡结果。 其次，本文还考虑了两用户不完全信息重复博弈的情况，通过先验概率来分析共享相 同频段的其它用户策略的不确定性，提出基于不完全信息博弈的认知无线电功率功率控制 算法，该算法与利用遗传算法实现功率的智能控制一样，考虑到了其他用户所采取的功率 分配策略的不确定性，且克服了遗传算法复杂且收敛慢的特点。如果博弈的重复次数m 足 够大，折扣因子仃满足一定条件，两用户可以在重复博弈的前面阶段博弈合作，达到帕雷 托优化的结果。只有重复博弈快结束的时候，用户才会一次性地把过去建立的合作信誉利 用尽，合作终止。考虑到噪声可能对用户的策略选择产生影响，提出了改进算法。 最后是全文的总结，并指出有待进一步研究的方向。 关键词：认知无线电，功率控制，博弈论，纳什均衡，帕雷托最优 南京邮电大学硕上研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h ei n f o r m a t i o na g e ，t h eb u s i n e s s a n dd e m a n do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ng r o wr a p i d l y t h es p e c t r u mr e s o u r c ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es c a r c e r t h e p r o b l e mo fh o wt of u r t h e ri m p r o v es p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，t h es y s t e mc a p a c i t ya n dq u a l i t yo f s e r v i c e si nn e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e e d su r g e n tp r o b l e m c o g n i t i v er a d i o o f f e r so p p o r t u n i t yt or e u s es p e c t r u mw i t hh i g ha v a i l a b i l i t y p o w e rc o n t r o li so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e sf o rc o g n i t i v er a d i os y s t e m i t sf u n c t i o ni st oa v o i di n t e r f e r e n c eu p o nt h es e c o n d a r y u s e r sa n de n s u r ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y w h a t sm o r e ，i ts h o u l da l s oe n s u r et h a tt h er a t eo f c o g n i t i v eu s e rm e e t sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，p o w e rc o n t r o lc a ni m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fs p e c t r u mu t i l i z a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a j o rr e s e a r c he m p h a s e si so nt h ed i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o lf o r c o g n i t i v er a d i o s t h a ti s i n v e s t i g a t eb yu s i n gm o d e mg a m et h e o r y t h e o u t l i n eo ft h i s d i s s e r t a t i o ni sd e s c r i b e da sf e l l o w s ： f i r s t ，w es t u d yd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o lf o rc o g n i t i v er a d i oi n t h i sp a p e r t h et r a n s m i t p o w e rc o n t r o lp r o b l e m si nac o g n i t i v er a d i oe n v i r o n m e n tm a yb ev i e w e da sag a m et h e o r e t i c p r o b l e m t h ep o w e rc o n t r o lg a m e s t a b l ee q u i l i b r i u m c o n t r o lr e p e a t e dg a m e so fc o m p l e t ei n f o r m a t i o ni sp r o p o p o s e d i n ti so f t e ns u b o p t i m a l a np o w e r b yc h o o s er i g i dt o u c ho fs t r a t a g e m i fd i s c o u n tp a r a m e t e r 仃s a t i s f i e st h ec o n d i t i o nw h i c hi sd e d u c e d ，t w ou s e r sw i l lc o o p e r a t ei n i n f i n i t er e p e a t e dg a m e sa n da v o i dp r i s o n e r sd i l e m m aa n dt h es t a b l ee q u i l i b r i u mp o i n ti sp a r e t o o p t i m a l s e c o n d ，i nt h ec o n d i t i o no fi n c o m p l e t ei n f o r m a t i o n ，t h ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do n i n c o m p l e t ei n f o r m a t i o nr e p e a t e dg a m ef o rc o g n i t i v er a d i oi sp r o p o s e dt or e a l i z ee f f i c i e n tp o w e r c o n t r 0 1 w ea n a l y z et h eu n c e r t a i ns t r a t e g yo fo t h e ru s e r sb yp r o b a b i l i t ya n dt h e s eu s e r ss h a r et h e s a m es p e c t r u mb a n d w ec o n s i d e rt h eu n c e r t a i n t yo fs t r a t e g yc h o i c ef o ro t h e ru s e r sa st h e i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fp o w e rb yg e n e t i ca l g o r i t h m w h a t sm o r e ，w ec o n q u e rt h ec o m p l i c a t i o na n d s l o wc o n v e r g e n c eo fg e n e t i ca l g o r i t h m i ft h er e p e a t e dt i m e smi sl a r g ee n o u g ha n dt h ed i s c o u n t p a r a m e t e rc rs a t i s f i e sc e r t a i nc o n d i t i o n ，t w ou s e r sc a nc o o p e r a t ei n t h ep r e c e d i n gp h a s eo ft h e r e p e a t e dg a m i n g ，t h u sr e a c h i n gt h ep a r e t oo p t i m i z a t i o n r e s u l t o n l yw h e nt h er e p e a t e dg a m e n e a r l yf i n i s h e s ，t h eu s e rw i l le x h a u s ta l lt h ec o o p e r a t i v ec r e d i te s t a b l i s h e di nt h ep a s t t h e nt h e c o o p e r a t i o ni so v e r c o n s i d e r i n gt h a tt h en o i s em a y b eh a v ei n f l u e n c eo nt h e u s e r ss t r a t e g y c h o i c ed e c i s i o n ，w ep u tf o r w a r dt h ei m p r o v e da l g o r i t h m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h el a s tp a r to ft h ep a p e ri ss u m m a r ya n da l s op o i n t so u tt h ed i r e c t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；p o w e rc o n t r o l ；g a m et h e o r y ；n a s he q u i l i b r i u m ； p a r e t oo p t i m a l i t y 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 c c c r d s a f c c p u r k i 也 s d r s p s s s u s p t f w l a n w r a n u h f u w b v h f x g 缩略语 c o g n i t i v ec y c l e c o g n i t i v er a d i o d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n p r i m a r yu s e r s r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s p e c t r u mp o o l i n g s p e c t r u ms e n s i n g s e c o n d a r yu s e r s s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k u l t r ah i g hf r e q u e n c y u l t r aw i d e b a n d v e r yh i g hf r e q u e n c y n e x tg e n e r a t i o n i v 认知循环 认知无线电 动态频谱接入 美国联邦通信委员会 主用户 无线电知识描述语言 软件定义无线电 频谱池 频谱感知 认知用户 频谱政策专门小组 无线局域网 无线区域网络 超高频 超宽带 甚高频 下一代 南京邮电大学硕士研究生学位论文 图表说明 图表说明 图1 1f c c 公布的固定频谱分配情况下频谱占用情况( 1 ) 图1 2 纽约市区测量到的频谱占用结果( 2 ) 图1 3 认知无线电的感知循环( 3 ) 图1 4 频谱空穴( 8 ) 图1 5 干扰温度模型( 9 ) 图2 1 认知无线电与环境进行信息交互( 1 6 ) 图3 1h = 0 0 4 s n r = 2 0 d b 时，用户1 的收益函数图( t p i n ) ( 3 1 ) 图3 2h = 0 0 4 ，s n r = 2 0 d b 时，用户2 的收益函数图( t p r n ) ( 3 2 ) 图3 3h = 0 0 4 ，s n r = 2 0 d b 时，两用户的收益函数和( 2 p t + n 2 r ) ( 3 2 ) 图3 4h = 0 2 ，s n r = 2 0 d b 时，用户1 的收益函数图有( t r p n ) ( 3 3 ) 图3 5h = o 2 ，s n r = 2 0 d b 时，用户2 的收益函数图有( t r p n ) ( 3 3 ) 图3 - 6h = 0 2 ，s n i p 2 0 d b 时，两用户的收益函数和( 2 r t + n 2 p ) ( 3 4 ) 图4 1 两认知无线电用户功率控制模型( 3 5 ) 图4 2h = 0 2 ，s n r = 2 0 d b 时，满足( 4 1 0 ) 式的m 随盯和q 的取值变化( 4 1 ) 图4 3h = o 2 ，s n r = 2 0 d b 时，认知用户的传输速率( 4 1 ) 图4 - 4h = o 2 ，s n r = 2 0 d b 时，盯= l 矛e q = 0 5 ，理智认知用户的收益( 4 2 ) 表3 1 用户】的收益矩阵( 2 8 ) 表3 2 用户2 的收益矩阵( 2 8 ) 表4 1 两用户的传输速率收益矩阵( 3 7 ) v 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，论文中不包含其它人已经发表或 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。与我一同工作过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。 研究生签名：意】烈日期：墨霉：! ：! ! 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：融 导师签名：同期： 南京邮电大学顽研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景 在无线通信中频谱是一种有限的宝贵资源，目前主要是由国家统一管理，统一授权使 用。每一个无线通信系统独立地使用一个频段。这种授权的、静态( 固定) 的频谱分配方 式可以有效地避免系统间的干扰。但是，随着信息时代的到来，无线通信业务和需求的快 速增长频谱资源的缺乏1 5 1 盏严重。而根据美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a l c o m r 叫n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 的调查，如图1 1 t ”，图1 - 2 【。1 1 2 i 所示：在这种固定频谱分配模 式下某些频段大部分时间是空闲的，一些频段只是有时被占用剩余频段则被过度使用。 0 - 6 g h z 频段的频谱利用率仅在15 8 5 之间口】【4 i ，这表明特定的传统授权频带频谱利用率 很低，大大阻碍了无线通信的应用与发展，使得包括宽带接人、公共安全、卫生保健、商 业以及娱乐方面的应用，无足够频率资源可用1 5 】。 图1 - lf c c 冬布的固定频谱分配情况下频谱占用情) 兄 在频谱资源缺乏现象同益严重的情况下，如何在各地区、各时间段里充分利用空闲的 频带，提高频带的利用率成为人们非常关注的问题。认知无线电c r ( c o g n i t i v er a d i o ) 技 术因此应运而生，它是一种智能无线通信系统，是解决上述无线频谱利用率低f ，实现无 线频谱复用的最佳方案，它通过对周围环境的认知，根据环境干扰的变化，自适应实时调 整发射功率、载波频率和调制策略等参数”i i ”。认知无线电通过对外部通信环境激励的处 南京邮电大学颐i 研究生学位论文第一章绪论 理和分析，以提取相关信息，并通过基于这些信息和认知无线电的学习规则对通信资源规 划、分配、决策，启动接入控制过程，开始通信，通过通信系统状态的调整达到系统最优 性能”。 本文正是基于这样的背景，开展对认知无线电的一些关键技术的研究。 ! ! 业竺 s d a 附u e il 。i l9 堋l6 肌i 卜9i _ 1 1 1 认知无线电的发展概述 认知无线电最早是由j o s c - p hm i t o l a 在1 9 9 9 年提出的【0 1 【”】。m i t o l a 描述了认知无线电怎 样通过一种称作“无线电知识表达语言”r k r l ( r a d i o k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ) 的新语占来提高个人无线业务的灵活性。认知无线电| 三l 软件定义无线电s d r ( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) 作为其理想的智能实现平台，通过对外部无线环境的感知和无线领域建模 扩展了软件无线电的功能。认知无线电与普通软件定义无线电最大的不同在于智能性，它 可以自动观察无线电环境、分析信息内容、评估选择、产生计划、监控服务，通过基于模 世的推理来使得通信系统获得特定能力，系统还能够从错误中进行学习，不断提高系统性 能。 在认知无线电系统中，利用r k r l 以加强个人服务的灵活性，r k r l 描述的内容包括无 线接入方、设备、软件模块、传输、网络、用户需求和根据用户的需求而自动配置的应用 方式等，可有效的帮助配置均衡器接口和接口线路延迟结构的县体参数。 认知无线电的感知循环c c ( c o g n i t i v e c y c l e ) 如图1 3 ，感知循环涉及3 个主要的步骤： 堕室堕堕奎兰堡主型塑竺兰垡堡苎翌二兰笙笙 ( 1 ) 频谱感知一扫描监控频段，获取信息并检测频谱洞( 即空闲频谱) 。 ( 2 ) 频谱分析一对感知的数据进行分析和估计。 ( 3 ) 频谱决策一根据分析和估计，决定是否接入空闲信道、以及具体的数据速率、 传输方式和传输波段。 认知无线电通过分析接收到的能提供环境辨识信息的信息流观察它所处的环境，这些 信息流主要包括无线电广播、短距无线广播及射频一l a n 等。在观察阶段，认知无线电也 通过读取测位、温度等传感器来推断用户的周围通信环境。计划阶段包括对偶然性事件进 行推理。在判决阶段，认知无线电将从候选计划中做出最合适的选择，在执行阶段触动选 中的程序。而学习是观察和决定阶段的功能函数，比如，将目前和先前的内部状态与期望 值进行比较，认知无线电就能够知道现在通信模型的有效性。认知圈将最终结果翻译成逻 辑输出，送至传统的软件无线电，启动在特定时间内占据特定无线资源的任务。 ir a n s l l l i t t c rr e e e l v e t 图卜3 认知无线电的感知循环 2 0 0 2 年，美国联邦通信委员会f c c 频谱政策专门小组s p t f ( s p e c t r u mp o l i c yt a s k f o r c e ) 发布的报告里，建议具有频谱感知功能的无线电可称为认知无线电，f c c 提出丌放 的频谱共享机制，合法授权用户p u ( 1 i c e n s e du s e r s 或p r i m a r yu s e r s ，以下统称为主用户) 享 有优先频谱使用权，非授权用户s u ( u n l i c e n s e du s e r s 或s e c o n d a r yu s e r s ，以下统称为认知用 户) 在不对主用户造成干扰的情况下，可以寻找机会接入空闲频谱，这种丌放的频谱共享 机制对频谱资源的使用产生了深远的影响。2 0 0 3 年5 月认知无线电工作组在华盛顿成立。 2 0 0 4 年3 月在美国拉斯维加斯召丌了关于认知无线电学术会议，标志着c r 技术正式起步。 1 堕塞坐生奎兰堡主婴窒竺堂垡堡塞 丝= 兰堕堡 2 0 0 4 年1 0 月，在华盛顿召开的认知无线电会议的主要议题包括：从软件定义的无线电发展 到认知无线电，紧急的军事和商业需求，用于自适应频谱管理的工具和技术，对于认知无 线电的频谱政策军事和商业要求，自适应调制和波形技术等。 2 0 0 4 年1 1 月正式成立i e e e 8 0 2 2 2 3 - 作组，这是世界范围内第一个基于认知无线电技术 的、针对无线区域网络空中接口的标准化组织。i e e e 8 0 2 2 2 又被称为无线区域网络w r a n ( w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ) 标准，系统工作于4 1 - 一9 1 0 m h z 原广播电视v h f u h f 频段 上，利用未被使用的t v 信道，工作模式为点到多点。8 0 2 2 2 工作组已经制定出第一个基于 认知无线电技术的全球性的空中接口标准。这个新的将在电视频段进行操作的标准将采用 诸如频谱感知、授权业务检测和冲突避免、频谱管理等技术来实现有效的业务共存，以及 在现有的授权服务中共享无线资源。w r a n 设备的关键是无需频率许可，与电视等已有的 主用户共存。当主用户工作时，w r a n 不占用相应频段；当检测到某些频段没有被主用户 使用时，w r a n 设备可以自动使用这些频谱资源；w r a n 设备在工作期间发现主用户在相 同频段开始工作时，将迅速退出相应频段。8 0 2 2 2 标准工作组于2 0 0 5 年9 月完成了对w r a n 的功能需求和信道模型文档，2 0 0 6 年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并，并于2 0 0 6 年3 月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础。 美国在2 0 0 4 年5 月颁布建议规章制订通知n p r m ，允许在不影响主用户( 如电视接收者) 的前提下，通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中未授权的无线资源，为实现认 知无线电的实用化放宽了相关的政策限制。同本也于2 0 0 5 年起丌始探讨该技术。目前德国、 英国、意大利、瑞典等欧洲国家相关机构也在研究认知无线电技术。 2 0 0 5 年2 月，s i m o nh a y k i n 在著名的权威刊物j s a ci nc o m m u n i c a t i o n s 上发表了关于认 知无线电的综述性文章“c o g n i t i v er a d i o ：b r a i n e m p o w e r e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ”【6 j ，拉 开国际性认知无线电技术研究的序幕。2 0 0 6 年i e e ef e l l o wi f a k y i l d i z 通过总结d y s p a n 0 5 的研究成果给出了下一代网络中以认知无线电作为核心技术的综述性文章 “g e n e r a t i o n d v n a m i cs p e c t r u ma c c e s s c o g n i t i v er a d i ow i r e l e s sn e t w o r k s ：as u r v e y ”i1 2 j 。随后 b e r k e l e y 、v i r g i n i a 、s t e v e n s 等大学研究所、s d rf o r u m 等研究学会论坛纷纷展丌认知无线 电技术的研究，r u t g e r s 大学在w i n l a b 实验室首先开始认知无线电平台开发工作，世界 各大公司如i n t e l 、q u a l c o m m 、p h i l i p s 、n o k i a 等也开始认知无线电系统的研究。美国国防 部的d a r p a ( 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 ) 计划以研制认知无线电系统方 法和关键技术为核心，其为实现动念频谱接入和共享为目标的x g ( n e x tg e n e r a t i o n ) 通信 框架计划，论证的频谱效率可将目前的频谱利用率提高1 0 到2 0 倍。 2 0 0 5 年11 月份召丌了首届全球d y s p a n ( 动念频谱接入) 会议，会议的主要议题是基 4 堕室坐皇奎堂堡圭堕窒竺堂垡笙壅丝二童竺笙 于认知无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表t8 0 多篇文章。i e e e 首届面向无线网 络和通信技术的国际认知无线电技术大会c r o w n c o m 2 0 0 6 于2 0 0 6 年6 月在希腊召开，探讨了 与认知无线电相关的频谱共享、租借频段的收费等技术、经济等问题。d y s p a n 2 0 0 7 矛i w c n c 2 0 0 7 以动态频谱接入和认知无线电技术为专题，继续展开对频谱共享技术的研究和 讨论。2 0 0 7 年5 月的c o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e 矛1 2 0 0 8 年1 月i e e e 的j s a c 都以“c o g n i t i v e r a d i o sf o rd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s 等为主题，对c r 软硬件平台开发和面向 未来通信市场应用等技术进行了综述性的探讨。 我国近年来也开始关注这个领域的动态，国家9 7 3 、8 6 3 、n s f 中也都设立了认知无线 电专项课题，清华大学，西安电子科技大学，北京邮电大学，南京理工大学，南京邮电大 学等国内高校都开始关注认知无线电技术的研究和应用，频谱感知、机会接入、功率控制 等文章陆续在国内外期刊和会议上发表。 1 1 2 认知无线电的应用 认知无线电技术具有广泛的应用范围，从动态频谱接入到普通的移动通信，目标应用 范围包括政府部门，管理机构，军事和商业领域【9 1 。国际电联目前正在研究与认知无线电 相似的技术从而提高频谱利用率。在军事领域，随频率的弹性捷变，认知无线电技术可实 现不同无线标准的合作，提高干扰信号的检澳, 1 1 1 力，以保护当前通信，识别敌方信息和发 现机会路径；在公共安全部门，利用认知无线电技术获取的附加频谱，可提高解决频谱捐j 塞和不同设备的合作能力，在紧急情况时可通过频谱分配技术，维持优先呼叫和缩短响应 时延。此外，认知无线电可根据使用不同频率和调制方式的设备权限提高设备间的合作能 力，自适应调整自身通信与其它授权合法系统合作。 在f c c0 3 3 2 2 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 ) 条例中，提到了认知无线电 用于频谱管理的好处和具体应用：乡村地区和频谱第二市场( 即频谱出租) 、动态频谱共 享和提高通信系统的互操作性。认知用户可以与其他用户协商实现更有效的频谱共享，c r 作为两个系统之间的桥梁应用于不同频段通信系统之间的交互，可推进频谱资源二级市场 的丌发使用和乡村地区的频谱接入。 乡村地区由于人口密度低，无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 在目 前的无线法规规定的功率限制下，无法提供充分的信号覆盖，频谱并没有得到高效的利用， 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 传输功率是可行的。 气 堕室堂皇查兰堡主婴壅竺兰篁笙兰 蔓二里笙丝 f c c 目前采取了分步措施，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。频段使用权拥有者可以自由地与想接入该频段地频谱用户 达成自愿租赁协议。认知无线电技术是协议得以实现的关键和前提。 认知无线电设备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。许多许可业务和它们的附属设备工作在同一频带，相互之间可以通过合作避 免相互干扰。 认知无线电设备具备自动辨识需要桥接系统和用户的能力，这能够促进系统间的互操 作性的提高。设备能够实时的调整从一个系统接收到的波形、调制模式和频率，因此能够 提高与其它系统的互操作性。 此外，在无线m e s h ，w l a n ，超宽带u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 等无线网络中，认知 无线电技术也呈现出巨大的应用前景。 无线m e s h 网又被称为无线因特网，它是一种多跳( m u l t i h o p ) 的网络拓扑结构，网 络中的每一个节点都可以发送和接收信息，每一个节点都可以与一个或多个对等节点直接 通信，它具有成本低、随时随地接入等优点。但随着网络密度的增大和服务要求的吞吐量 的提高，无线m e s h 网需要有更高的处理能力，认知无线电技术的智能性可以提高设备的 协调和处理能力。认知无线电与无线m e s h 网络结合，可以提高频谱的利用率，特别时在 人口密度高的城市这种融合具有更广阔的应用空间。 在w l a n 标准中同样也存在着与其它设备共存问题，而保证无线局域网的工作频段 不受到其它设备的干扰是困难的，为此随着8 0 2 1 1 技术的发展需要，i e e e8 0 2 1 1 标准逐 步提出无线电设备应具备检测雷达信号并避免对它们形成干扰( 8 0 2 1 l a ) 的能力，即不同 设备的共存问题，而认知无线电在标准制定中就考虑了设备的共存问题。认知无线电技术 的动态频谱接入是在动态频谱选择基础上，进一步研究频谱接入和网络协同通信问题，认 知无线电的发射功率控制在降低设备干扰的同时，还可以兼顾到主用户和频谱共享的公平 性。 超宽带技术( u w b ) 自上世纪9 0 年代起应用于民用领域后，在国际上掀起了一股研 究热潮，被认为是下一代无线通信的革命性技术。超宽带是指信号的1 0 d b 4 ：目对带宽大于 0 2 0 或绝对带宽超过5 0 0 m h z 的通信系统。u w b 的这个定义并没有限定它的数据信号的具 体实现形式，既可以采用极窄的脉冲形式，也可以采用传统的载波方式，也就是说包括了 任何可以使用超宽带频谱的通信形式。u w b 具有传输速率高，系统容量大，抗多径能力强， 功耗低，近似于噪声的信号特性，以及通过控制噪声干扰水准从而与已经申请了频率使用 权的窄带通信系统共存并同时在该授权频带上进行信号传输等优点。但是u w b 无线电环境 6 堕室业皇奎兰婴主婴壅竺兰竺丝苎笙二至笙丝 面临周围窄带无线通信系统的严重干扰，同时它也对周围的窄带通信系统构成干扰，因此 可以利用认知无线电技术来实现协作共存策略，达到资源最大利用的目的。u w b 是采用 “u n d e r l a ys h a r i n g ”方式与主用户同时使用频谱，和传统的窄带非认知无线电设备能实现共 存，这是实现认知无线电与u w b 结合的最实用的环境。u w b 在3 至1 0 g h z 的频段范围内工 作，这个频段的频谱利用率比较低，可以实现认知无线电通过频谱感知接入使用。由此产 生了一个全新的无线电通信技术领域一超宽带认知无线电。 认知无线电的应用还可扩展到存在同一区域多个无线系统的场景，h a r a d a 在文献 1 3 】 中考虑了这种场景的面向多个无线系统的应用，他认为认知无线电硬件设计应考虑采用多 天线技术，带宽自适应调制和增益控制等。h a r a d a 将认知无线电软件划分为通信系统感知 软件，系统选择软件，时空频域系统捆绑软件和干扰避免软件。其中通信系统感知软件主 要通过对多频带的搜索而识别无线通信系统，干扰温度和流量等；系统选择软件负责无线 场景分析，自适应调制方式选择，数据传输速率和功率控制技术以满足系统q o s 脾1 2 1 2 厶匕p j 匕；通 信捆绑软件控制系统容量和干扰，利用软件无线电技术下载通信系统所需函数，而基站可 根据干扰、用户数目和话务量等改变软件函数，根据环境条件和用户实际需要自适应无缝 选择需要的无线网络。 基于8 0 2 2 2 协议的无线区域网w r a n ，在无干扰的基础上利用暂时未被使用的广播电 视频段，主要应用在农村、偏远地区和人口密度低的城市、郊区等现有网络技术难以覆盖 的区域，这是因为乡村和偏远地区提供宽带接入需要新的网络且需要大的覆盖面。如果大 多数家庭用户都采用光纤和卫星电视服务，这样就存在大量的电视频道空闲，原来固定分 配的频谱造成了资源的极大浪费，且考虑电视频段属低频部分无线电波传递衰减小，可以 覆盖较大范围，特别适合较远地区用户使用的传递特性，而用于电视频段的8 0 2 2 2 设备不 需要牌照，将进一步降低成本和提供可负担的服务，这些都是f c c 选择电视频段的主要原 因。而认知无线电技术可通过多种方式被应用于8 0 2 2 2 系统中，包括分布式频谱感知、测 量、探测算法和频谱管理，这些机制的综合提供了一种高度灵活且适应环境的无线电技术， 一方面为这些地区提供无线宽带接入服务，另一方面可以对突发事件做出及时的反应。 1 1 3 认知无线电研究的关键课题 认知无线电技术是继软件无线电( s d r ) 之后无线通信技术的“下一件大事”( n e x tb i g t h i n g ) ，受到人们的极大关注，目前对于它的研究还处于初始阶段，但是它在无线通信领 域的发展前景十分诱人。虽然认知无线电技术具有独特的优势，但是其技术远不够成熟， 塑塞堡垒查兰堡主塑塞兰兰些堡兰 篁二皇些堡 还有许多难题需要解决。一方面需要提供可靠的频谱感知能力，以保护主用户的正常通信。 另一方面为了提供无论何时何地高效可靠的通信，确保认知用户的q 。s 性能，必须加强功率 控制和频谱管理能力，实现无线资源的动态管理。这样才可以实现公平高效的共享无线频 谱资源，提高频谱利用率。认知无线电需要关注的课题具体包括：频谱感知、功率控制、 频谱管理等1 1 4 i i “ 。 1 频谱感知 认知无线电通信的一个重要前提是频谱感知s s ( s p e c t r u ms e n s i n g ) 能力。认知无线电 能够灵敏感知周围环境的变化，通过频谱感知功能发现频谱空穴，使得认知无线电能与周 围通信环境相适应。频谱空穴是指被分配给某初始主用户使用，但在特定时间和具体位置 该用户并没有使用的一段频带如图1 _ 4 所示。 $ 1 7 e d a a m b u 囤1u 4 频谱空穴 根据频谱的其体使用情况通常频谱区域可被分成3 种类型： ( 1 ) 黑色区域一使用频率高的区域，说明这个频段常被高能量的局部干扰占用。 ( 2 ) 灰色区域一部分时间使用，部分时间空闲，说明这个频段有部分时间被占用。 ( 3 ) 白色区域一基本空闲的区域，说明这个频段只有环境噪声而没有射频干扰的占 用。 通常情况下，白色区域和有限度的扶色区域可被等待服务的用户使用l 1 。由于主用户 ( p r i m a r yu s e r ) 阿络没有义务改变它的结构来与认知无线电网络共享频谱，因此，认知无 线电只能独立地、可靠地，通过连续的频谱感知对主用户进行探测。在认知无线电系统中， 频谱空穴感知的可靠方案对于系统的设计和实现是极其重要的，也是c r 系统正常工作的前 提。在c r 系统中，频谱感知不仅对频谱空穴的检测起决定作用，同叫也对频谱状态进行监 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 测。典型的频谱感知技术有两种：一种是基于发射机的能量检测，另种是基于接收机的 干扰温度检测。能量检测是检测频带是否被授权用户所占用【1 7 】，文献 1 8 指出，如果接收 机不能够接收到足够的主用户信息，比如说接收机只收到随机高斯噪声的功率，那么能量 检测是最佳的检测方案。但是能量检测很容易受到不确定噪声的影响，为解决这一问题， a s a h a i 等人利用主发射机的导频音信号以提高能量检测的精确度。能量检测的另一缺点是 不能检测到信号的类型而只能够检测到信号是否存在。由于容易实现，所以现行对主用户 的检测一般都采用能量检测【1 9 】。目前的无线电环境是以发送端为中心的，要求发送的信号 功率在设计中大于某一个噪声底限。由于无线电环境经常出现不可预测的干扰使系统的噪 声增大，引起传输性能下降，为了避免这种情况，f c c 提出了一种新的干扰度量标准 干扰温度l z 0 1 ，如图1 5 所示，无线电环境从传统的以发送端为中心，转变为以发送端和接收 端的自适应实时交互为中心。干扰温度表征了在某频带和某特定的地理位置的无线电环 境，干扰温度检测必须解决以下问题： ( 1 ) 预先准确地测得干扰源带来的干扰。 ( 2 ) 准确地设计一个合适的干扰门限，只要引入的干扰不超过这一门限，系统就可 以正常的工作。可以用多窗方法估计干扰温度的功率谱1 6 】，多窗估计同奇异值分解法相结 合能够有效地测量无线环境中的噪声功率谱。 p o w e r a t r e c e i v e r e ds i g n a l m i n i m u ms e r “c e r a n g ew i t h i n t e r f e r e n c ec a p n e w ( p p o r t u n i t i e s 、 一 r f o rs i x n a 髓5 s e r v i c er a n g ea t | o r i g i n a ln o i s ef l o o r 7 肌似胡m 以1r 6 j w 眦。婀丙瀚_ 幽 o r i g i n a ln o i s ef l o o r 图1 5 干扰温厦模型 2 功率控制 在c r 系统中采用分布式功率控制以扩大通信系统的工作范围，而每个用户的发射功率 是造成其他用户干扰的主要原因，因此功率控制是c r 系统的关键技术之一。在多用户传输 的c r 系统中，发送功率控制受到给定的干扰温度和可用频谱空穴数量的限制【6 】，目前解决 功率控制这一难题的主要技术是博弈论和信息论。多用户c r 系统的功率控制可以看成一个 博弈论的问题，博弈论可以划分为合作博弈和非合作博弈。如果不考虑非合作博弈，看成 9 堕室! ! 皇奎堂堡主里! 壅竺兰垡堡塞 至二里堑笙 完全的合作博弈，这样功率控制则简化成一个最优控制问题 2 1j 。但这种完全的合作博弈应 用到多用户系统中需要达成有约束的协议，因为每个用户都试图最大化自己的功率，所以 功率控制更多的考虑非合作博弈的情况。因此，功率控制问题可以看作一个多用户的认知 无线电环境下的非合作的博弈，如何在不违反干扰温度限制的情况下，在不用考虑其余收 发机的行为的情况下，使每一可收发机的性能达到最优化。 实现功率控制的另一方法是基于信息论的迭代注水法，其基