（通信与信息系统专业论文）基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究.pdf

、。 警t j ，q 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 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 丝坦主：坦： 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) 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： 日期：丝l ! ：i ：! 竺 日期： 趁l ! ：1 望 丫簟 本论文由国家8 6 3 计划项目( 编号2 0 0 7 a a 0 1 2 2 2 1 ) ：异构无线网络中具有主动特 性的资源管理技术资助以及国家自然基金重点项目( 编号6 0 8 3 2 0 0 9 ) ：基于认知的无 线资源管理与利用资助。 皆 旁 l 。 i d r , y t r k 。i - ， 北京 态频谱分配方式凸现出来频谱效率低下的弊端，使得学术界和工业界都纷 纷开始探索新的频谱管理方式。认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术的发 展促进了认知频谱管理思想的发展。而其中的动态频谱分配( d y n a m i c s p e c t r u ma l l o c a t i o n ，d s a ) 技术，在认知网络中实现不同频谱资源的有效共 享和动态管理起着重要作用。该技术可以突破无线通信发展中频谱资源受 限的瓶颈问题，具有重要的理论和现实意义。 论文采用理论分析和数值仿真相结合的方法，主要围绕新型d s a 策略、 资源预留对用户q o s 的影响、认知网络和主网络的干扰共存特性等几方面 内容进行了研究，开展的创新性工作如下： a 提出了一种基于拍卖理论的频谱分配算法 本文将拍卖中的第二价格封闭拍卖机制运用于认知网络中的频谱分 配。在此基础上，提出了一种虚拟买家组( v i r t u a lb i d d e rg r o u p ，v b g ) 频谱拍 卖机制，以获得更高的频谱利用率和主网络收益。为了求解拍卖机制下的 频谱分配最优解，本文还将贪婪算法与穷搜索算法相结合，得到了一种启 发式求解频谱最优分配的阶段最优算法( p h a s e o p t i m a l ，p o ) ，该算法不仅可 有效求解频谱分配的次优解，同时具有较低的算法复杂度。 b 提出了一种基于离散优化方法的动态频谱分配机制 由于在已有的关于认知网络频谱管理的文献中，信道条件被看成是“已 知的”、“静态的 信息。本文在进行信道分配时，在传统认知网络的信道 分配中加入了信道估计，并把信道最优分配问题转化为离散随机最优问题 ( d i s c r e t es t o c h a s t i co p t i m i z a t i o n ，d s o ) 。还提出了“逐步离散随机逼近” ( a g g r e s s i v ed i s c r e t es t o c h a s t i ca p p r o x i m a t i o n ，a d s a ) 算法求解该d s o 问题。 a d s a 算法可以有效跟踪实时变化的无线环境下频谱分配的最优策略。 c 研究了次级用户性能增强机制 ： 在传统的认知网络中，为了保证主用户的系统性能，次级用户的q o s 没有得到很好保障。结合认知网络中近期出现的频谱切换、主网络和认知 网络的合作技术，作者提出了信道预留机制。在该机制中，系统从频谱池 北京邮电大学硕士学位论文基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 中预留一部分信道作为次级用户的专用信道。信道预留机制加强了认知网 络中次级用户的q o s ，同时把对主用户的影响严格限制在可接受范围内。 这部分建立在系统马尔科夫链的数学描述上，并计算出了最优的预留信道 数目。 本文研究了认知网络中频谱分配不同层面的若干问题，力争为提高频 谱效率和次级用户长期被忽略的q o s 问题。认知网络频谱分配与其他先进 通信技术的结合，以提高频谱分配性能，将成为作者下一步研究的重点领 域。 关键字：认知网络，动态频谱分配，拍卖理论，离散随机优化算法， 信道预留机制 、旷 p 套 l ： _ 厶 氩 、j ? ， c o g n i t er a d i o b a s e d k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h i n t h ed y n a m i cs p e c t r u m a l l o c a t i o n 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 n ，t h er e q u i r e m e n to fs p e c t r u m i s g r o w i n gd r a m a t i c a l l y b e c a u s eo ft h eu t i l i z a t i o ni n e f f i c i e n c yo fs t a t i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ， b o t ht l l ea c a d e m i ca n di n d u s t r i a lf i e l db e g a nt op a ym o r ea t t e n t i o nt on o v a im e t h o d si b r s p e c t r u mm a n a g e m e n t c o g n i t i v er a d i o ，an e w l ye m e r g i n gt e c h n o l o g y , h a sp r o m o t e d t h e d e v e l o p m e n ti ns p e c t r u mm a n a g e m e n t m o r e o v e r ，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 ) i s c o n s i d e r e dt ob ee s s e n t i a l l yi m p o r t a n tt om a n a g et h eh e t e t o g e n e o u ss p e c t r u me f f i c i e n t l ya n d d v n a m i c a l l y a st h ed s a c o u l db r e a kt h eb o t t l e n e c ko ft h el i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c e ，i ti so f h i g h t h e o r i o 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 sa d o p t sm a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n dd a t as i m u l m i o nt or e s e a r c ht h en o v a ld s a m e c h a n i s m s q o si n f l u e n c eo fr e s o u r c er e s e r v a t i o n ，t h ec o e x i s t e n c eo f p r i m a r yn e t w o r ka n d t h ec o g n i t i v en e t w o r ka n de t c t h em a i ni n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sl i ei nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： a p r o p o s e da n a u c t i o nb a s e ds p e c t r u ma l l o c a t i o nm e c h a n i s m t h et h e s i sa p p l i e st h es e c o n dp r i c es e a l e da u c t i o nm e c h a n i s mf o rs p e c t r u ma l l o c a t i o n i nc rn e 咖r k b a s e do nt h i s ，av b gs p e c t r u ma u c t i o nm e t h o di sp r o m o t e df o rh i g h e r s p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dr e v e n u ef o rp r i m a r yn e t w o r k i no r d e r t oo b t a i nt h eo p t i m a ls p e c t r u m a l l o c a t i o ni na u c t i o nm e c h a n i s m ，ap h a s e o p t i m a l ( p o ) a l g o r i t h mi sd e v e l o p e d ，w h i c hi st h e c o m b i n a t i o no fg r e e d ya l g o r i t h ma n de x h a u s t i v em e t h o d p oa l g o r i t h mc o u l dn o to n l y a c h i e v eas u b o p t i m a ls o l u t i o n ，b u ta l s oe q u i pw i t hl o wc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y b d e v e l o p e dad i s c r e t es t o c h a s t i co p t i m i z a t i o nb a s e d d s am e c h a n i s m a si nt h ee x i s t i n gw o r k so r ls p e c t r u mm a n a g e m e n ti n c rn e t w o r k s ，t h ec h a n n e l c o n d i t i o ni sc o n s i d e r e da sp e r f e c ti n f o r m a t i o no rs t a t i c i nt h i st h e s i s ，ic o m b i n et h ec h a n n e l e s t i m a t i o ni nc h a n n e la l l o c a t i o n a n dt h et r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o np r o b l e mb e c o m e s ad i s c r e t e s t o c h a s t i co p t i m i z a t i o n ( d s o ) p r o b l e m m o r e o v e 5id e v e l o pa na g g r e s s i v e d i s c r e t e i i i 北京邮电大学硕士学位论文基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 s t o c h a s t i ca p p r o x i m a t i o n ( a d s a ) m e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m a d s ac o u l de f f i c i e n t l y f o l l o wt h et i m e v a r i n ge n v i r o n m e n ti ns p e c t r u ma l l o c a t i o no p t i m i z a t i o n c d i s c u s s e dt h ep e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n tm e c h a n i s mf o rs e c o n du s e r i nt r a d i t i o n a lc rn e t w o r k ，i no r d e rt og u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c eo fp r i m a r yu s e r ( p t o ， t h eq o so fs e c o n du s e r ( s t oi sc o n s i d e r e dp o o r l y c o m b i n e dw i t ht h en e w l ye m e r g y i n g t e c h n i q u e s ，s u c ha s ：s p e c t r u mh a n d o f fa n dt h ec o o p e r a t i o nb e t w e e np ua n ds u ，id e v e l o pa c h a n n e lr e s e r v a t i o nm e c h a n i s m ，w h i c ha l l o w st h es y s t e mt os u b s c r i b eap a r i t i a lo fa v a i l a b l e c h a n n e l si nc o m m o ns p e c t r u mp o o lf o rs u se x c l u s i v eu s a g e t h i sm e c h a n i s me n h a n c e st h e s u sq o sw i t ho n l ya c c e p t a b l ei n t e r f e r e n c et op u t h i sp a r to ft h et h e s i si sb a s e do nt h e m a r k o vc h a i nm a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n w h a t sm o r e ，i tg i v e st h eo p t i m u mn u m b e ro f r e s e r v e dc h a n n e l s i m p o r t a n ti s s u e so fd i f f e r e n tl e v e l si nc rn e t w o r k s s p e c t r u ma l l o c a t i o na r ed i s c u s s e di n t h i st h e s i st oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c ya n d r e g a i nt h ei g n o r e dq o sf o rs u c o m b i n i n g s p e c t r u ma l l o c a t i o na n do t h e ra d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf o rf u r t h e re n h a n c e m e n t o fs p e c t r u mu t i l i t yi sw h a t1w i l lw o r ko ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：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 l l o c a t i o n ，a u c t i o nt h e o r y , d i s c r e t e s t o c h a s t i co p t i m i z a t i o n ，c h a n n e lr e s e r v a t i o nm e c h a n i s m l v 、， ， 驴 厶 【。 b 厶 ， “ 北京邮电大学硕士学位论文基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 目录 摘j 要i a b s t r a c t 目录v 图目录 第一章绪论l 1 1 认知无线电的研究背景和意义l 1 1 1 认知无线电基本定义。l 1 1 2 认知无线电的研究现状2 1 2 认知无线电频谱管理的研究领域一4 1 2 1 频谱检测4 1 2 2 频谱分配5 1 2 3 频谱移动性管理5 1 3 认知无线电中频谱分配技术5 1 3 1 频谱共享方式分类5 1 3 2 频谱分配原则7 1 3 3 频谱分配模型7 1 3 3 1 温度干扰模型7 1 3 3 2 图论着色模型8 1 3 3 3 博弈论模型10 1 4 本文研究意义与课题来源五1 l 1 5 全文内容安排1 2 第二章基于拍卖理论的频谱分配算法设计1 3 2 1 拍卖理论概述13 2 1 1 拍卖理论中的基本概念1 3 2 1 2 拍卖的标准模型1 4 2 1 3 第二价格密封拍卖法的竞拍策略与优劣势分析。1 5 2 2 认知网络中频谱拍卖算法设计1 5 2 2 1 网络模型。1 5 2 2 2 传统第二价格频谱拍卖及局限性分析1 7 2 2 3 运用v b g 机制的加强型频谱拍卖策略1 8 2 2 4 将v b g 机制运用于双向频谱拍卖分析19 2 2 4 双向频谱拍卖最优策略的求解。1 9 2 2 4 1 贪婪算法求解19 v 北京邮电大学硕士学位论文 基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 2 2 4 2 “阶段最优 算法求解2 0 2 3 系统性能分析。2 l 2 3 1 单边拍卖场景下性能比较2 2 2 3 2 双边拍卖场景下性能比较2 2 2 4 本章小节2 4 第三章认知网络中基于离散优化方法的动态频谱分配机制2 5 3 1 离散随机优化概述2 5 3 1 1 离散随机优化的基本概念2 5 3 1 1 离散随机优化的应用举例2 5 3 2 现有认知网络中频谱分配局限性分析2 6 3 3 基于d s o 的信道分配机制2 6 3 3 1 系统模型描述2 7 3 3 2 问题描述2 8 3 3 3 离散随机优化问题的求解2 9 3 3 3 1 穷搜索办法2 9 3 3 3 2a d s a 方法2 9 3 3 3 3 收敛性与算法复杂度分析。3 0 3 4 系统仿真分析3 l 3 4 1 系统数据速率比较。3 2 3 4 2 系统信道分配效率比较3 2 3 4 3 信道分配的长期系统性能比较3 3 3 5 本章小节3 4 第四章认知网络中次级用户性能增强机制研究3 5 4 1 认知网络次级用户q o s 的保证3 5 4 2 信道预留机制在无线通信中的应用3 6 4 3 传统认知网络的系统描述3 6 4 3 1 系统描述3 6 4 3 1 用户性能分析3 8 4 4 引入信道预留机制后的系统描述3 9 4 4 1 信道预留机制描述。3 9 4 4 2 信道预留优化4 l 4 5 仿真结果与讨论4 2 4 5 1 最优信道预留数目比较4 2 4 5 2 系统效用比较4 3 4 5 4 主用户阻塞率比较4 4 v i 妒 妒 ， 北京邮电大学硕士学位论文基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 4 6 本章小节4 5 第五章总结与展望4 7 5 1 论文工作总结。4 7 5 2 下一步工作4 8 附录l 缩略语5l 参考文献。5 3 致谢一5 7 攻读学位期间发表的学术论文5 8 v 北京邮电大学硕士学位论文 基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 图目录 图1 - 1 频谱共享方式分类6 图1 - 2 图论着色模型示意图9 图2 - 1 频谱单元租借周期结构示意图1 6 图2 - 2 不同频谱拍卖机制与算法下的整体社会效用比较2 2 图2 - 3 随主网络中频谱单元增加系统可实现数据速率比较2 3 图2 - 4 随主网络中频谱单元增加系统可实现数据速率比较2 3 图3 - 1 系统次级用户拓扑图2 7 图3 2 随着迭代次数增加，系统在不同信道分配机制下可实现的数据速率3 2 图3 - 3 信道分配效率比较3 3 图3 - 4 在2 0 0 个信道租借周期中实现的社会效用比较图3 3 图3 - 5 在2 0 0 个信道租借周期中实现的信道分配效率比较图3 4 图4 - 1 传统认知网络系统状态转移图3 8 图4 - 2 加入信道预留机制的系统状态转移图4 0 图4 - 3 在不同主用户到达率下最优预留信道数目比较4 3 图4 - 4 在不同次用户到达率下最优预留信道数目比较4 3 图4 - 5 在不同次用户到达率下系统效用比较4 4 图4 - 6 在不同次用户到达率下主用户阻塞率比较4 4 v i | i 厶 0 一 囊 北京邮电大学硕士学位论文基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 第一章绪论 1 1 认知无线电的研究背景和意义 随着无线应用的不断拓展，通信系统对无线频谱资源的需求量也不断增加，从而导 致频谱资源的缺乏。从近年一些研究结果【l 。1 可以看到，频谱资源缺乏更多是由于现有 的频谱管理与分配策略造成的。现有的频谱管理与分配策略大多是基于静态控制的模 型，即可用频谱资源被划分成固定、非重叠的频谱块，将这些频谱块以独占的方式分配 给不同的服务和技术。分配到这些频段的用户被称为授权用户( 或主用户) ，例如：移动 通信运营商、广播电视、军事和公共安全部门等。这种静态的频谱分配与管理方式非常 简单，但大量的测量数据表明其频谱利用率低下。以美国为例，在3 g h z 以下，已分配 频谱的利用率随时间和地理位置的变化从1 5 到8 5 1 l 】不等。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。 为了解决上述频谱利用率低下的问题，近年来，被业界称为认知无线电( c o g n i t i v e r a d i o ，c 鼬【3 4 】的新频谱使用模式正逐步受到人们的关注。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，认知用户通过择机( o p p o r t u n i s t i c ) 的方式接 入授权用户频段或非授权频段，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、实现频谱动态管理及提高频谱利用率提供了强有力的技术支撑。 1 1 1 认知无线电基本定义 针对不同的应用环境和技术领域，认知无线电有多种定义。 在j o s e p hm i t o l ai i i 和g e r a l dq m a g u i r e ，j r 于1 9 9 9 年发表的一篇学术论文【3 j 中，首 次提出了认知无线电的概念。他们描述了一种“无线电知识表示语言( r a d i ok 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 ，r k r l ) ”的新语言，该语言提高了个人无线业务的灵活性。随 后，m i t o l a 在2 0 0 0 年瑞典皇家科学院举行的博士论文1 4 答辩中详细探讨了这一概念，并 给出含义广泛的认知无线电的定义：“认知无线电这个术语是指这样一种观点，即在无 线资源和相关的计算机与计算机之间通信方面，无线个人数字处理( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ，p d a s ) 和相关的网络具有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用 环境的函数以及提供最符合这些需求的无线资源和服务。于是，认知无线电设备能够为 北京邮电大学硕士学位论文 基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 无线传输自动选择最适合的服务，甚至能够根据目前或即将可用的资源，延迟或提前某 次传输。 f c c 于2 0 0 3 年5 月召开了认知无线电研讨会，讨论了通过认知无线电技术实现灵活 频谱利用的相关技术问题，并给出了认知无线电较狭义的定义【2 】：“认知无线电是指能够 通过与工作的环境交互，改变发射机参数的无线电设备。认知无线电的主体可以是软件 定义无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s ，s d r ) ，但既没有软件也没有现场可编程的要求。 根据f c c 的定义，认知无线电是具有以下三个主要特点的设备：( 1 ) 具备环境探测能 力；( 2 ) 能够调整传输频点；( 3 ) 能够调整相关传输参数。因此认知无线电也被称为频 谱捷变无线电或机会频谱接入无线电。 国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 定义认知无线电为：“它 可以感知或了解其操作的环境，从而动态、自治地调整其操作参数 5 1 。 c a d e n c e 系统设计公司的无线设计师j o h nn o t o r 教授则认为，s d r 和认知无线电之 间是相互重叠的关系 6 1 ：s d r 不是认知无线电的必然条件，认知无线电也不是s d r 的 发展。 国际电子电气工程界的著名学者，加拿大皇家学会院s i m o nh a y k i n 教授于2 0 0 5 年 2 月在文献【7 】中从信号处理的角度对认知无线电进行定义：“认知无线电是一个智能无线 通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某 些操作参数( 比如传输功率、载波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接收到的无线 信号的统计性变化，从而实现任何时间，任何地点的高度可靠通信和对频谱资源的有效 利用。” 1 1 2 认知无线电的研究现状 目前，对认知无线电系统的研究己受到了工业界和学术界的广泛关注，电气电子工 程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la 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i e e e d y s p a n 国际会议( i e e e ，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 s n e t w o r k s ) 交流这方面成果。目前国内外关于认知无线电的代表性研究项目主要包括以下 几方面研究： a 加州大学伯克利分校的c o r v u s 系统【8 。9 1 c o r v u s 系统是利用认知方法使用虚拟免执照频谱( ac o g n i t i v er a d i oa p p r o a c hf o r u s a g eo fv i r t u a l u n l i c e n s e ds p e c t r u m ，c o r v u s ) ，由美国加州大伯克利分校r w b r o d e r s e n 教授的研究组提出，该系统的目标是通过协调的方法检测和使用频谱。 c o r v u s 系统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；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 b o 。 2 矿 争 r ， 北京邮电大学硕士学位论文基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 b 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【l l l 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 n m lf o ru b i q u i t o u sm o b i l e n e t w o r k ) 是贝尔实验室与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 ) 实现频谱统计接入的网络体系结构。该系统利用c a b 提 高了频谱接入的效率与公平性。 d i m s u m n e t 系统引入了中心控制、区域网络级的频谱经纪人( s p e c t r u mb r o k e r ) 机 制，使系统在降低复杂度与灵活性的同时能够提高频谱的利用率；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 km a n a g e r ) 用于管理并协调频谱的租 赁。 该的研究主要集中在两方面：一是对现有码分多址( 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 ) 和全球移动通讯系统( g l o b a ls 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 ) 频谱利用 率进行测量，研究通过协调动态频谱接入提高频谱利用效率的方法【1 2 】；另一方面是研究 宏蜂窝网络场景下通过频谱定价( p r i c i n g ) 实现的频谱分配的机制和算法【1 3 】。 c 欧洲的d r i v e o v e r d r i v e 【1 4 】项目 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 ps e r v i c e si nv e h i c u l a r e n v i r o n m e n t s ，d r i v e ) 项目的目标是：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( s p e c t r u me f f i c i e n tu n i a n dm u l t i c a s to v e rd 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 s i 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 e t 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 络间的有效协调确保频谱提供高效移动多媒体服务。目前，d r i v e o v e rd r i v e 项目研 究了分别基于时间和空间的动态频谱分配算法。前者是指无线接入网络( r a d i oa c c e s s n e t w o r k ，r a n ) 在时间上可以利用其它r a n s 当它们有空闲频谱资源；而后者则根据不 同区域的业务变化情况，使频谱分配应业务变化的需要。 d g e o r g i a 理工学院的o c r a 网络【1 5 】 。 o c r a 网络是基于o f d m 的认知无线电( o f d m b a s e dc o g n i t i v er a d i o ) 网络的简称， 它是美国g e o r g i a 理工学院宽带无线网络实验室i a nf a k y i l d i z 教授等人提出的基于 o f d m 的动态频谱网络架构。 该网络架构考虑了大量异构网络的部署场景，开发了基于o f d m 的动态频谱接入 的跨层操作，并针对频谱切换提出了基于o f d m 技术的新的频谱管理概念，同时考虑 了联合重新路i 扫( r e r o u t i n g ) 和频谱切换的路由协议。此外，o c r a 网络还引入了多频谱 传送( m u l t i s p e c t r u mt r a n s p o r t ) 技术来利用非连续( n o n c o n t i g u o u s ) 的可用无线频谱提供高 质量通信，并提高这些频谱的使用率。 北京邮电大学硕士学位论文 基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 1 2 认知无线电频谱管理的研究领域 认知无线电技术包括频谱检测、频谱管理、频谱共享以及频谱移动性【1 5 】等多方面的 内容，其核心思想是使无线通信设备具有发现“频谱空洞川一并将其合理利用的能力。 例如采用频谱再次利用的思想，允许主用户暂时借出未使用的部分频谱为其他用户所 用，一旦主用户需要时，次级用户再将其借用的频谱归还给主用户使用。 认知无线电技术为次用户提供了择机使用和共享主用户频谱的能力。动态频谱接入 技术允许认知无线电工作在最佳的可用频谱上。认知无线电频谱管理主要包括以下几个 方面【1 5 】： a 频谱检测 认知用户检测可用频谱，当认知用户工作在授权频带时检测主用户的出现； b 频谱分配 当系统工作在集中式管理的模式下，系统为认知用户选择最佳的可用信道；当系统 工作在分布式管理的模式下，认知用户在正确检测到可用频谱的前提下，选择适合的接 入频谱； c 频谱共享 在频谱共享中，当系统工作在集中式管理的模式下，系统为认知用户协调该过程； 当系统工作在分布式管理的模式下，认知用户之间需要进行彼此协调以接入可用频谱； d 频谱移动性管理 当认知用户检测到主用户出现时，同时，系统没有多余的空闲频谱，则该认知用户 需腾空当前使用频谱，切换至其他可用频谱。 1 2 1 频谱检测 频谱检测的目的是检测所有可用自由度( 时间、频率、空间) 上的频谱，以辨识出当 前可用于认知通信的信道。为了不对主用户造成干扰，次用户在利用空闲频谱进行通信 的过程中，需要快速感知到主用户的再次出现，并迅速腾空频谱，或在主用户干扰门限 之下保持通信。这就需要认知无线电系统具有频谱感知的功能，能够实时地连续侦听频 谱，同时需要保证检测的可靠性。 检测空闲频谱的有效地方式之一是检测在次用户通信范围内的正在接收数据的主 用户。由于对认知无线电很难找到直接的检测主用户发射机和接收机之间信道的方法， 因此，大部分工作都是集中在基于次用户本地观察的主用户发射机的检测。频谱检测可 以分为发射机检测、合作检测和基于干扰的检测三种类型。其中，发射机检测包括匹配 滤波、能量检测、周期特征检测以及时频分析等方法；合作检测又分为集中式和分布式 4 旷 ， o 一 北京邮电大学硕士学位论文基于认知无线电的动态频谱分配关键技术研究 两种；基于干扰的检测要设定系统干扰温度的门限值，要求用户能够准确的测出干扰温 度并工作在该门限值之下。频谱检测主要是物理层技术，是频谱管理、频谱共享和频谱 移动性的基础。 1 2 2 频谱分配 在认知无线电网络中，未使用的频谱包括授权和非授权频带，根据无线环境的时变 特性和工作频率和带宽等频谱信息，通过频谱检测侦听到的未使用的频谱所具有不同的 特征，认知无线电网络频谱管理的主要内容是在频谱感知的基础上进行频谱决策，根据 用户的q o s 在所有可用信道中选择最佳信道。 频谱分析主要是通过分析频谱空洞，估计频谱参数等信息，从而知道频谱特性，以 保证频谱的合理分配。频谱决策是根据当前业务的q o s 需求，决定数据速率、可接受的 错误概率、时延上限和传输带宽等重要参数，根据判决规则结合已有的频谱信息，为认 知用户选择最适合的频段。频谱分析与频谱决策对物理层感知信息进行处理，同时与更 高层有紧密联系。 1 2 3 频谱移动性管理 与目前的固定频谱分配方式不同，认知无线电系统中的认知用户是在一种动态频谱 分配方式下选择最适合通信的频段。当信道条件变得很差，或更高优先级的用户要求使 用当前通信频段时，就需要通过频谱切换将业务切换到另一条可用信道上继续通信。频 谱切换以及链路维持称之为频谱移动性( s p e c t r u mm o b i l i t y ) 管理。频谱切换主要包括三个 基本过程：频谱切换初始化、频谱切