（通信与信息系统专业论文）认知无线电系统中基于图论着色模型的动态频谱分配算法研究.pdf

重庆邮电大学硕上研究生毕业论文 摘要 捅要 认知无线电技术是近年来无线通信领域的革命性技术之一。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i 训任何地点的高度可 靠通信和对频谱资源的有效利用。 本文主要针对动态频谱接入的认知无线电系统中的关键技术之一动态频 谱分配算法进行了较为深入的研究。文中分析和总结了三种动态频谱接入情况下 的频谱分配模型，包括基于图论着色理论的分配模型，基于博弈论的分配模型以 及干扰温度模型。然后重点研究了图论着色模型。 本文首先对基于图论着色模型的各种分配算法进行总结，在此基础上提出了 基于用户需求的快速收敛动态频谱分配算法。新算法与原算法相比，在获得相同 或相近性能的同时减少了频谱分配迭代次数，适应了认知无线电系统快变的环境。 算法还考虑了图论着色模型下频谱分配对系统需求的满足情况。通过仿真分析表 明，新算法能够更好的满足系统需求。 关键词；认知无线电动态频谱分配图论着色模型 a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i oi sar e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g yo f w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n c ri sa i li n t e l l i g e n tw i r e l e s sr a d i ow h i c hi sa b l et os e n s et h eo u t s i d ew o r l d a n dt ol e a m t h ei n f i o n n a t i o no fs u r r o u n d i n g sw i t hi t sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i tc a nc o m m u n i c a t eo na r e l i a b l eb a s i sa ta n y t i m ea n da n y p l a c ew h i l eu s i n gt h ef r e q u e n c ye f f i c i e n t l yb yc h a n g i n g r e a lt i m eo p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c h a st r a n s m i t p o w e r ，c a r r i e rf r e q u e n c y a n d m o d u l a t i o nc o d et oa c c o m m o d a t et h ei n t e m a lt ot h eo u t s i d ew o r l d o u rs t u d i e sm a i n l yf o c u so nd 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 mi nc rs y s t e m t h i st h e s i sf i r s t l ys u m m a r i z e ss p e c t r u m a l l o c a t i o nm o d e li nt h et h r e es c e n a r i o s m e n t i o n e da b o v e ，i n c l u d i n ga l l o c a t i o nm o d e lb a s e do ng r a p hc o l o r i n gt h e o r y , g a m e t h e o r ya n di n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r em o d e l t h e nw ed e d i c a t et oi n v e s t i g a t i n gs p e c t r u m a l l o c a t i o nu s i n gg r a p hc o l o r i n gt h e o r y t h i st h e s i sf i r s t l yf o c u s e so ns p e c t r u ma l l o c a t i o nb a s e do ng r a p hc o l o r i n gt h e o r y a s u m m a r yo fe x i s t e da l g o r i t h m si sp r e s e n t e da n d t h e nan e wf a s tc o n v e r g e n c ea l g o r i t h m b a s e do nt h en e e do ft h es y s t e m ，i sp r o p o s e dt oa d a p tt oar a p i d l yc h a n g i n ge n v i r o n m e n t i nc o g n i t i v er a d i os y s t e m c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a la l g o r i t h m i c ，t h en e wa l g o r i t h m s h o w ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ei nc o n v e r g e n c e ，a c h i e v i n gn e a ro rt h es a m ep e r f o r m a n c e t h ea l g o r i t h mi sp r o p o s e db yi n t r o d u c i n gad e m a n d m e e tt h en e e d so ft h es y s t e m s i m u l a t i o na n a l y s e ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mw o u l d b e t t e rm e e tt h es y s t e m r e q u i r e m e n t s k e y w o r d 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 ，g r a p hc o l o r i n gt h e o r y i i 重庆邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 无线通信技术的快速发展和人们对无线通信业务需求快速增加，可用的无线 频谱资源越来越少。目前，无线频谱资源采用固定分配政策。调查发现，无线频 谱资源利用率在1 5 一8 5 之间，某些频谱如移动手机网络的频谱是超负荷的， 但是诸如业余无线电等相当多频谱并没有得到充分的利用。 认知无线电被认为是解决上述无线频谱低利用率问题的最佳方案。认知无线 电通过对无线环境的感知、主动学习等措施，实现在特定的无线参数上的实时改 变，并调整系统的内部状态，适应外部无线环境的变化。 1 2 认知无线电的概念 自1 9 9 9 年“软件无线电之父 j o s e p hm i t o l a 博士首次提出了认知无线电的 概念并系统地阐述了认知无线电的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角 度给出了认知无线电的定义 1 3 ，其中比较有代表性的包括f c c 和著名学者s i m o n h a y k i n 教授的定义。f c c 认为：“认知无线电是能够基于对其工作环境的交互改 变发射机参数的无线电”。s i m o nh a y k i n 则从信号处理的角度出发，认为：“认 知无线电是一个智能无线通信系统。它能够感知外晃环境，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，以达到以下目的：任何 时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。” 图1 1 是m i t o l a 给出的认知圈，该图描述了认知无线电如何与环境( o u t s i d e ) 进行信息交互，即外界刺激和变化进入认知圈，最终得到响应的这样一个认知无 线电持续的观察环境( o b s e r v e ) 、自身定位( o r i e n t ) 、制定计划( p l a n ) 、学习 ( 1 e a r n ) 、判决( d e c i d e ) 并执行( a c t ) 的流程。 重庆邮电大学硕上研究生毕业论文 第一章绪论 图1 1m i t o l a 定义的认知圈 总结上述定义，认知无线电应该具备以下2 个主要特征t ( 1 ) 认知能力 认知能力使认知无线电能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而 可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源( 也称为频谱空洞) ，并选择最适当的 频谱和工作参数。这包括3 个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频 谱感知的主要功能是监测可用频谱，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取 的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频谱传 输数据。 ( 2 ) 重构能力 重构能力使得认知无线电设备可以根据无线环境动念编程，从而允许认知无 线电设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、 调制方式、发射功率和通信协议等。 重构的核心思想是在不对频谱授权用户产生有害干扰的自仃提下，利用授权系 统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频谱被p u 使用，认知无线电有2 种应 对方式：一是切换到其它空闲频谱通信；二是继续使用该频谱，但改变发射功率 或者调制方案避免对授权用户的有害干扰。 1 3 认知无线电系统和相关标准研究现状 目前涉及认知无线电标准制订的组织和行业联盟主要是美国电气电子工程师 学会( i e e e ) 、国际电信联盟( i t u ) 和软件无线电论坛等。 重庆邮电大学硕十研究生毕业论文 第一章绪论 1 3 1i e e e 相关标准 i e e e 对于认知无线电技术的标准化推进工作比较积极，目前正在制订的与认 知无线电相关的标准主要包括：i e e e8 0 2 2 2 4 、i e e e8 0 2 1 6 h 5 、i e e ep 1 9 0 0 6 、 i e e e8 0 2 h 7 以及i e e e8 0 2 1 l y 8 3 等。 ( 1 ) i e e e8 0 2 2 2 标准 2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 正式成立了i e e e8 0 2 2 2t 作组，这是第一个世界范围 的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。 i e e e8 0 2 2 2 也被称为无线区域网络( w r a n ) ，系统工作于5 4m h z 8 6 2m h z 的v h f u h f 频谱上未使用的t v 频谱，工作模式为点到多点。该工作组目的是利用 认知无线电技术将分配给电视广播的v h f u h f 频谱用作宽带接入。 为了与t v 频道的授权用户共存，8 0 2 2 2 系统的物理层( p t t y 层) 和媒体接入控 制层( m a c 层) 协议应该允许基站根据感知结果，动态调整系统的功率或者工作频 率，还应包括降噪机制，从而避免对t v 频道的授权用户造成干扰。现有的i e e e 8 0 2 2 2 标准提案对空中接口进行了规范，包括p h y 层与m a c 层的规范，m a c 层和 p h y 层协议栈对于所有被支持的服务都是相同的。 根据i e e e8 0 2 2 2 标准提案，p h y 层可细分为一个会聚子层和一个物理媒体 ( p m d ) 子层，p m d 是p h l 层的主要部分，而会聚子层能自适应映射m a c 层的特定需 要到通用的p m d 服务，i e e e8 0 2 2 2 协议在p h y 层上增加了频谱感知功能，通过本 地频谱感知技术以及分布式检测等方法，来可靠地感知某时刻、某地区的电视频 谱中各子频谱是否被授权的电视信号( a t s c 、d v b t 、d m b t 等制式) 占用，以使得 认知用户能够在对授权用户系统不造成干扰的情况下接入空闲的电视频谱，充分 利用有限的频谱资源；而m a c 层的协议设计不同于以往，除提供媒介接入控制等 传统业务能力，还以共存为主要目的，为与授权用户共存和保护授权用户提供了 丰富的手段，并且引入了一个新颖的共存信标协议( c b p ) 来使得那些具有重叠覆盖 区域的8 0 2 2 2 基站可以协作和有效地分享宝贵的频谱资源。另外，还提供了频谱 管理和测量功能，这使得m a c 层在频谱管理上更加灵活和有效。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 6 h 标准 1 9 9 9 年，i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组专门开发宽带固定无线技术标准( w i m a x ) ， 目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。但是，随着8 0 2 1 6 系列规范 的不断制订和完善，频谱资源问题成为制约技术发展的关键问题，为此，2 0 0 4 年 1 2 月，专门成立了致力于解决共存问题的8 0 2 1 6 h 工作组，利用认知无线电技术 使8 0 2 1 6 系列标准可以在免授权频谱获得应用，并降低对其他基于i e e e8 0 2 1 6 免授权频谱服务用户的干扰。同月，i e e e8 0 2 1 6 h 工作组公开征集提案，主要针 重庆邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 对8 0 2 1 6 h 规范涉及的具体方面、新系统对授权用户产生的冲突影响、8 0 2 1 6 不 同p h l 层模式下的共存机制、8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准中现有的免授权频谱服务支持以及 8 0 2 1 6 h 标准制定的主要目标等。2 0 0 5 年1 月，确定了i e e e8 0 2 1 6 h 标准的具体 涉及内容，其主要思路是在i e e e8 0 2 1 6 制定的o o s 要求下，让多个系统共用资 源。目前公布的最新版本为2 0 0 6 年8 月的版本。 i e e e8 0 2 1 6 h 标准由l i c e n s e e x e m p tt a s kg r o u p 所制定，致力于改进诸如 策略和媒介接入控制等机制，以确保基于i e e e8 0 2 1 6 的免授权系统之间的共存， 以及与授权用户系统之间的共存。 ( 3 ) i e e e1 9 0 0 标准 i e e e8 0 2 2 2 和8 0 2 1 6 h 都只是认知无线电的简单应用，为了进一步研究认 知无线电，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e1 9 0 0 标准组，进行与下一代无线通信技术 和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于认知无线电技术的发展 及与其他无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。 i e e e1 9 0 0 目前包括i e e e1 9 0 0 1 、i e e e1 9 0 0 2 、i e e e1 9 0 0 3 和i e e e1 9 0 0 4 这4 个工作组。i e e e1 9 0 0 1 工作组的任务是解释和定义有关下一代无线电系统和 频谱管理的术语和概念，主要澄清术语并且弄清各个技术之间的关系，提供对技 术的准确定义和对关键技术的解释，如频谱管理、政策无线电、白适应无线电、 软件无线电等，目前标准草案最新版本是v 0 2 8 版本。i e e e1 9 0 0 2 工作组主要为 干扰和共存分析提供操作规程建议，提供分析各种无线服务共存和相互间干扰的 技术指导方针，其项目提案需求书( p a r ) 预计提交投票和项目完成时间分别是2 0 0 8 年2 月和8 月。i e e e1 9 0 0 3 工作组主要为软件无线电的软件模块提供一致性评估 的操作规程建议。提供分析软件定义无线电的软件模型以保证符合管理和操作需 求的技术指导方针。其p a r 中指出将在2 0 0 8 年9 月将草案提交投票，预计项目结 束时间是2 0 0 9 年9 月。i e e e1 9 0 0 4 工作组主要任务为动态频谱接入的无线系统 提供实际应用、可靠性验证和评估可调整性能。在第一阶段，标准将限于结构和 功能定义，而后一阶段将着重于与信息交换有关的协议定义。该标准预期2 0 0 9 年 2 月完成。 ( 4 ) i e e e8 0 2 1 1 h 标准 从表面上看，i e e e8 0 2 1 l h 似乎不是有关认知无线电的标准。但是，8 0 2 1 1 h 协议中的一个关键内容：动态频谱选择实际上已经属于认知无线电的范畴。i e e e 8 0 2 1 l h 为“无线局域网媒体接入控制和物理层规范，欧洲5g h z 频谱频谱和发射 功率管理扩展”协议，其修改了i e e e8 0 2 1 l ap h y 层标准，增强了5g i t z 频谱的 网络管理、频谱控制和传输功率管理功能，提高了频谱能量测量和报告、多个管 理域的频谱覆盖、动态频谱选择和传输功率控制机制，及其在协议中的一些定义 重庆邮电大学硕上研究生毕业论文 第一章绪论 和术语。 ( 5 ) i e e e8 0 2 1 1 y i e e e8 0 2 1 1 y 是8 0 2 1 l 协议族中基于竞争的协议，主要制定标准化的干扰避 免机制，同时方便今后新频谱的应用，其应用频谱主要是2 0 0 5 年7 月f c c 向公众 应用开放的原来用于卫星服务网络的3 6 5g h z 一- , 3 7g h z 频谱，为该频谱的宽带 无线业务分配提供补充和改善。 2 0 0 6 年1 1 月的会议上，将原8 0 2 1 1 y 草案0 0 2 重新命名为p 8 0 2 1l y 草案 】0 。 1 3 2i t u - r i t u 关于认知无线电的研究工作目前仍隶属于i t u r 8a 工作组中的软件无线 电研究课题。因为软件无线电不足以涵盖认知无线电的所有范畴，所以i t u r 于 2 0 0 6 年3 月提出一项新的建议，将认知无线电单独作为一个研究课题进行研究， 这说明i t u 已经充分认识到认知无线电技术在未来通信发展中的重要意义。 1 3 3 软件无线电论坛 2 0 0 3 年8 月软件无线电论坛就开始探讨放松当前严格的频谱划分政策的可能 性，研究通过开发新的智能无线电设备从而提高频谱利用效率。该论坛于2 0 0 4 年 1 0 月成立了认知无线电工作组与认知无线电特殊兴趣组，专门开展有关认知无线 电技术的研究。认知无线电工作组主要任务是标准化认知无线电定义及确认可用 于认知无线电的技术。特殊兴趣组的任务是对工作组所确认的技术确定商业应用 的价值。鉴于软件无线电论坛的特殊任务，目前主要致力于开展认知无线电平台 的分析和多模式调整功能的研究。 2 0 0 6 年4 月，软件无线电论坛于旧金山召开了认知无线电工作组会议。2 0 0 6 年6 月软件无线电论坛对认知无线电技术可能面临的挑战进行了讨论。2 0 0 6 年“ 月软件无线电论坛也组织了认知无线电的专题讨论会。2 0 0 7 年1 月软件无线电论 坛会议上，认知无线电与频谱效率工作组决定对f c c 相关的一些工作做出回应。 1 3 4d a r p ax g 美国国防部高级研究计划署( d a r p a ) 于2 0 0 3 年成立了下一代通信计划( x g ) ， 着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准，计划研制以认知无线电 重庆邮电大学硕上研究生毕业论文 第一章绪论 为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。该项目将研制和开 发频谱捷变无线电，这些无线电台在使用法规范围内，可以动态自适应变化的无 线环境，在不干扰其他j 下常工作无线电台的前提下，使可以接入的频谱范围扩大 近1 0 倍。 1 3 5c o r v u s c o r v u s 是利用认知无线电方法使用虚拟免执照频谱( ac o g n i t i v er a d i o a p p r o a c hf o ru s a g eo f v i r t u a lu n li c e n s e ds p e c t r u m ，c o r v u s ) 的缩写。该系 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， 其目标是通过协调的方式检测和使用频谱。在c o r v u s 系统中，提出了用户分组的 思想，通过组内控制频谱协调组内用户的动态频谱使用；通过通用( u n iv e r s a l ) 控 制频谱协调组间的动态频谱分配；并提出了如何在动态频谱接入下的可靠链路维 护协议 1 0 。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文主要研究了认知无线电系统中的频谱分配算法，论文的主要研究内容 如下； 第一章首先介绍了认知无线电的基本概念，并阐述了目前国内外对认知无线 电的研究现状。 第二章首先介绍了认知无线电与软件无线电之间的关系。并对无线电表述语 言r k r l 和认知无线电礼仪进行了简要的阐述。然后阐述了认知无线电的主要功能 和关键技术。 第三章首先对认知无线电的频谱系统模型进行了分析，简要介绍了认知无线 电系统频谱分配的两个常见模型，包括衡量干扰的干扰温度模型和分御式系统中 基于博弈论的分配模型。之后分析了本文重点研究的频谱管理与分配模型基 于图论着色理论的分配模型。并对基于图论着色理论模型的随机算法、贪婪算法、 公平算法三种常见算法进行了描述。最后对这三种改进，并进行了仿真。 第四章首先给出基于图论着色理论分配模型的数学描述，然后提出了基于用 户需求的快速收敛动态频谱分配算法，该算法考虑了用户对于频谱的需求，使得 分配与自身需求匹配，并在此基础上考虑算法快速收敛特性，进一步减少频谱分 配的迭代次数。并通过仿真验证，该算法与原算法相比，在获得相同或相近的性 能的同时降低了频谱分配的时间开销，适应了认知无线电系统快变的环境，而且 能够更好的自适应地满足系统需求。 重庆邮电大学硕上研究生毕些丝塞 皇蔓咝 _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ l _ - _ - - - 一一 第五章对全文进行了总结，并对认知无线电系统中的动念频谱分配的未来研 究方向进行了展望。 重庆邮电大学硕士研究生毕业论文 第- 二章认知无线电的相关研究 第二章认知无线电技术简介 2 1 认知无线电与软件无线电之间的关系 认知无线电是从软件无线电的基础上发展而来的。为了便于理解认知无线电 的基本原理，有必要将认知无线电与软件无线电( s d r ) 进行区分。根据电子与电气 工程师协会( i e e e ) 的定义，一个无线电设备可以称为s d r 的基本自，提是：部分或 者全部基带或r f 信号处理通过使用数字信号处理软件完成；这些软件可以在出厂 后修改 9 1 4 。 因此，s d r 关注的是无线电系统信号处理的实现方式；而认知无线电是指无线 系统能够感知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数。从这个意义上讲，认 知无线电是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、 规则和目标进行推理和规划的高层功能。 2 2 无线电表述语言r k r l 除了自然语言，还有几种计算机语言能够表达相关的无线电知识。但是，大 多数的无线电语言如规范描述语言( s d l ) 、统一建模语言( u m l ) 、接口定义语言( i d l ) 等都是用于描述的计算机语言，缺乏准确性和灵活性。 在认知无线电的研究中，如何表达外部世界的信息始终是一个重要的研究课 题。r k r l 是瑞典皇家科学院( k t h ) 专为认知无线电开发的套语言，是用来描述整 个事件知识、计划和需求的语言。它所包括的知识问询和操作语言( k q m l ) 就是为 了使内部知识的交换变得更加方便。使用k q m l ，移动节点和网络可以分享预期频 谱需求的计划，可以有效地识别和租用频谱。 r k r l 提供了一种标准的能够对随机的数据交换进行动态定义的语言。r k r l 的 每个部分根据规则的模式和描述语言的基础来构成，其能力来自于感知循环中的 模式匹配、计划产生能力，由相关的推理引擎来调整。r k r l 包括语法和本体信息。 r k r l 涉及的范围包括规则的模式、语言定义、推论模式、多语法和无线的本体。 r k r l 是一种并行对象语言，通过基于模式的推理综合了各种语言的特点。通 过r k r l 这种标准语言，可动态定义认知无线电系统突发的数据变换，其代理可以 快速地通过操作相关协议使无线规则更好地满足用户需求，增强了系统的灵活性 和反应能力。 2 3 基于r k r l 语言s n s d r 平台的认知无线电 重庆邮电大学硕上研究生毕业论文 第一二帝认知无线l 乜的相关研究 软件无线电( s d r ) 是一种多波段多模式个人通信系统平台，其通过射频谱宽、 空气介面、协议、空间和实时模式的灵活变化来缓解无线频谱的紧缺状况。认知 无线电通过在无线域建模来扩展软件无线电的功能，通过无线知识描述语言( r k r l ) 来加强个人服务的灵活性。r k r l 描述的内容包括了无线方式、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。r k r l 语言可以 在软件无线电平台上实现，这样的平台将无线节点从仅仅执行事先确定好的协议 转变成无线域的智能代理，实现了原先固定功能和通信模式的系统转变成为智能 通信系统的变革。 通过r k r l ，认知无线电系统知道高级语言配置均衡器接口和接口线路延迟结 构的具体参数。均衡器接口和接口线路延迟结构采用特定应用集成电路( a s i c ) 、 现场可编程阵列( f p g a ) 或者某种软件无线电算法实现。 软件无线电平台硬件包括天线、无线射频转换模块、调制解调器和基带处理 器、用户接口等硬件模块。基带处理器包括基带调制解调器和个终端控制协议 栈，此外还包括一个感知装置和一个算法模块。算法模块包含用来描述无线电本 身的r k r l 结构、均衡器以及其中的所有的本体，用r k r l 来写，即以软件来替代 硬件功能。 实现上述功能，高端内存、计算算法和通信的带宽对认知无线电都是必需的。 根据外部环境变化调整通信系统的配置不会花很长的时间，一般认知无线电也不 需要人来干涉它的工作过程。如果要对认知无线电进行干涉，主要目的也是为了 保证无线电网络的稳定性。很显然，这种认知无线电网络是复杂的自适应系统， 具有适应外界环境变化的能力。 2 4 认知无线电礼仪 认知无线电能进行有序地工作是因为它有一整套来规范行为的无线电礼仪规 则，这是一组由射频频谱、空中接1 ：3 、协议、空时模型以及为缓解频谱使用紧张 而制订的高层协商规则所组成的规范模式。频谱租用程序、用户优先级策略和无 线电知识描述语言等都为频谱的统筹规范使用提供了保障，为实现认知无线电的 频谱共享提供规范。认知无线电礼仪协议在频谱有效和混乱之间进行权衡，使得 所有的应急服务、政府、个人和商业用户可以主动或被动地共享该协议的成果。 频谱租用程序是一种类似于握手协议的协商程序。频谱出租者首先发送出租 频谱的信号，里面包含一些诸如频率、带宽、可以使用的时问段以及价格等相关 信息；租用者在收到信号后，给对方发送意向信号，旱面列举了自己所希望达到 的要求；双方经协商后，最后达成一致，从而完成一个简单的频谱租用程序。同 理，也可以反过来，由租用者事先发出频谱需求信息。 重庆邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章认知无线电的相关研究 用户优先级策略是为了提高频谱管理的高效性和保障社会通信的有序性。应 急服务、政府部门、商业客户及个体用户等各种用户应该具有不同的优先级。例 如应该首先考虑警方、消防和医疗急救等社会紧急事务，把他们的优先级设定为 最高。现有的频谱分配特征确定了默认的频谱使用优先级。通过频谱管理者的授 权可以改变全局或局部的优先级。这个协议允许分配一个用户、一个频道或者一 个有特别优先级( 用户、时间、空间、频率) 的组合。 认知无线电为人性化服务提供了巨大的潜能，但是频谱共享礼仪规则的制订 十分耗费人力。部分原因是由于没有统一的表示无线电知识的方式，限制了认知 无线电对网络和用户的响应。r k r l 可能会有助于更好地提高该过程的自动化。 2 5 认知无线电的功能 由于认知无线电技术尚处于起步阶段，对于该技术的主要功能还处于讨论过 程中。m i t o l a 博士提出的认知循环过程相对比较复杂，包括一系列认知学习步骤。 当前，不同组织机构在设计实现认知无线电的总体框架中所涉及的具体内容也有 所不同。从比较完整的意义上一般认为，认知无线电系统应该具备检测、分析、 调整、推理、学习等能力。事实上，这些具体功能就是一个认知循环的主要组成 部分。 ( 1 ) 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 须在可使用的全频谱范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频谱。由于 是免许可使用，认知无线电必须具备迅速发现首要用户的能力，在工作过程中时 刻检测首要用户是否处于活动状态，从而确保不对其产生干扰。更为困难的一点 是，由于广播电视用户多为哑终端，即仅仅完成接收功能。而作为认知无线电用 户又必须能够发现他们的存在，从而避免对其产生干扰，这就为频谱检测提出了 更为艰巨的要求。目前有些研发人员提出通过检测接收机本振的频曙泄漏来完成 对哑终端的定位，但是仍处于研究阶段。 ( 2 ) 分析 认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据( 包括频谱使用、 策略使用等) 和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的获取，那 么分析就是对相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果 分析首要用户的位置、使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位置、可用带 宽、频谱状况、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 重庆邮电人学硕士研究生毕业论文 第二章认知无线电的相关研究 调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知无线电设备 通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的频点和发射 时机，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 较宽的频谱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，确保在不干扰首要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。如何根据无线背景环境的相关数据进行分析预测是一个非常重要 的课题。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，这种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。 2 6 认知无线电研究重点 认知无线电技术提供认知用户以机会方式共享频谱的能力。更详细的说 1 5 ， 认知无线电技术使用户可以做到以下几点。 ( 1 ) 确定哪部分频谱是可用的，当用户在一个授权频段上工作时监测主用户 的出现。( 频谱感知) ( 2 ) 选择最好的可用频谱。( 频谱分析、决策) ( 3 ) 和其他用户合作接入频谱。( 频谱共享) ( 4 ) 检测到主用户时腾出频谱。( 频谱移动性) 认知无线电网络的这些功能使动态使用频谱的通信方式得以实现。然而，频 谱的动态使用对传统的使用固定频谱通信的协议的性能产生了多种影响。认知无 线电网络的通信部分和他们之间的交互如图2 1 所示。从图中可以看出，认知无 线电网络的功能需要跨层设计。在频谱管理和频谱移动性功能中，考虑到频谱的 动态性能，应用层、传输层、路由层、介质接入层和物理层的功能都是以合作的 方式实现的。 重庆邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章认知尢线电的相关研究 图2 1 认知无线电网络通信功能 认知无线电使一种新的通信方式，有传统通信技术所没有的功能，从发现空 闲频谱到合理利用频谱，上述内容基本涵盖了认知无线电的功能，也是认知无线 电研究的重点。目前，在认知无线电领域基本上都是基于上述功能进行研究，包 含从物理层到应用层的技术。 2 6 1 频谱感知 频谱感知的目的是发现在时域、频域、空域上的频谱空穴，以供认知用户机 会方式利用频谱。同时，为了不对主用户造成干扰，认知用户在利用频谱空穴进 行通信的过程中，需要能够快速感知到主用户的再次出现，及时进行频谱切换， 腾出信道给主用户使用，或者继续使用原来频谱，但是需要通过调整传输功率或 者改变调制方式来避免干扰。这就需要认知无线电系统具有频谱监测功能，能够 实时的连续侦听频谱，以提高监测的可靠性。频谱感知主要是物理层的技术，是 频谱管理、频谱共享和频谱移动性管理的基础。 重庆邮电人学硕士研究生毕业论文第一：章认知无线电的相关研究 目前研究较多的方法有：匹配滤波器法、能量检测法、循环平稳特定检测法 等等。 ( 1 ) 匹配滤波器法 匹配滤波器是信号检测中的一种比较常用的方法，它能够使接收信号的信噪 比最大化。在认知无线电设备中使用匹配滤波器，实际上完成的是解调授权用户 的信号，这样认知无线电用户就要知道授权用户的物理层和媒体控制层的信息： 调制方式、时序、脉冲形状、封装格式等，利用这些信息来实现与待检测信号在 时域和频域上的同步，从而解调信号 1 6 。这些信息可以被存放在c r 的存储器里 面。匹配滤波器的优点是可以在很短的时间内完成同步而提高信号的处理增益： 缺点是要求认知用户掌握每一类授权用户的各种信息。匹配滤波器法可应用于对 授权用户信息比较了解的频谱环境当中，例如超高频的电视频段等等。 ( 2 ) 能量检测法 能量检测法是一种非相干的检测手段，和频谱分析相似，通过f f t 来实现。 2 0 0 3 年1 2 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布的调查公告( n o i ) 和征集电信政策 改革提案公告( n p r m ) 中，为能量检测法提出了“干扰温度”这一新的度量标准， 用于协助寻找适宜的频谱空穴；并提出了干扰温度限的概念，以描述在某频带和 特定地理位置上满足接收者需求的最差场合的无线传输环境特征 5 。判定于扰温 度的大小是由系统接受端完成的。干扰温度的单位为丌尔文，其计算公式为： t = ( n + i ) ( k b ) 。其中，n 代表总噪声功率；i 代表信息信号功率；b 代表信道带宽。 检测完各个信道上的干扰温度后，用“干扰温度限”进行判别，干扰温度在 门限以下的信道就是适宜的频谱空穴。能量检测法技术已经比较成熟，应用起来 可靠性较高。 ( 3 ) 循环平稳特性检测法 众所周知，通信等大多数实际应用场合，由于信号受人工周期信号的调制， 即对信号的离散采样、扫描、调制、多址、编码以及物理现象固有的周期性都使 信号的统计特性呈现出周期性。因此调制信号具有典型的循环平稳性，可利用其 循环谱密度函数特征完成其检测及参数估计。在未知噪声、功率变化噪声及强干 扰环境下，循环谱检测器比其它检测器更有优势 1 7 。 2 6 2 频谱分析和决策 在频谱感知的基础上，需要对感知到的频谱空穴的频谱特征进行频谱分析， 以获得满足用户需求的频段。为了描述认知无线电网络的动态特性，每个频谱空 穴必须根据其频谱环境的时间变化和主要用户的活动特性以及频率和带宽等频带 重庆邮电大学硕十研究生毕业论文 第二章 认知无线电的相关研究 信息进行特性定义。因此，定义诸如干扰等级、信道误码率、路径损耗、链路层 延时和持续时间等参数来说明特定频带的性能。 基于频谱分析对所有频谱空穴的描述，就需要进行频谱决策以选择一个合适 的工作频段满足当前传输的q o s 需求和频谱特性。基于用户的需求，需要决定数 据率、可接受错误率、延时限度、传输模式以及带宽。然后，根据决策准则，选 出一组合适的频带。 频谱分析和频谱决策对物理层感知信息进行处理，同时与更高层( 例如应用 层) 有紧密联系。 2 6 3 频谱共享 频谱共享技术是认知无线电网络里最终要的技术，机会式频谱利用的核心就 是频谱共享，它包括动态频谱分配和动态频谱接入，可以看成是m a c 层的问题。 频谱共享即包括认知用户和主用户的频谱共享，也包括认知用户之间的频谱共享。 目前的频谱共享技术解决方案可以从结构、频谱分配行为、频谱接入技术3 方面进行归纳分类。如图2 2 所示。 a r c h i t e c t u r e 洳翟裟撕册蹄篙舞= 路8 7 j _ ，7 ，7 ”、，、 l 。，一、 ”， l 、 集中式 2 0 ，2 1 ，2 2 ：在这类解决方案中，集中单元控制频谱分配和接入过程。 网络中的每个分布式节点都把自己探测感知的频谱信息汇聚到集中控制单元，由 分布式e 1 8 ，1 9 ，2 3 ，2 4 ：分布式解决方案主要应用在不能构建集中式结构的场 ( 2 ) 基于分配行为的频谱共享技术可分为合作式和非合作式。 合作式 1 8 ，2 0 ，2 4 ：合作式解决方案考虑到节点的行为会影响到其他的节点。 也就是说，每个节点的感知所得都会与其他节点分享。而且，频谱分配算法也会 非合作式 2 5 ，2 6 ：非合作式仅仅考虑自己节点的行为，因而这中方式也被称 作为“自私的”。非合作式方案可能会导致频谱利用率的降低。但在实际应用中， 重庆邮电大学硕研究生毕业论文第一二章认知无线电的相关研究 它对其他节点的通信要求最低。 ( 3 ) 基于接入技术的可以分为o v e r l a y 和u n d e r l a y 。 2 7 o v e r l a y ：就是一个认知节点利用未被使用的一段频谱接入网络。这种情况下 对主用户干扰最小。 u n d e r l a y ：这种方案利用了蜂窝网络的频谱扩展技术。一旦获得了频谱分配 影射图，认知节点便开始传输。在这段频谱上，主用户把认知节点的传输当初噪 声处理。这种方案需要复杂的频谱扩展技术，但可以利用更宽的频谱。 2 6 4 频谱移动性管理 与以往的固定频谱分配方式不同，认知无线电系统的用户是在一种动态频潜 选择的方式下选择最适合通信的频谱。当频谱条件变得很差，或更高优先级的用 户要求使用当前通信频谱时，就会引起一种新型的切换( h a n d o f f ) ，称之为频谱切 换。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 il it y ) 管理。 频谱切换主要包括三个过程：频谱切换初始化、频谱切换决策和频谱切换执 行。频谱切换初始化就是初步搜索可以利用的频谱资源，频谱切换决策就是对可 用频谱资源迸行估计，选择此种情况下最优的频谱资源，最后通过频谱切换执行 过程进行切换操作。 频谱移动性管理需要设计快速频谱选择算法和快速频谱切换算法，来保证切 换过程中用户服务的q o s 。在某个时间段里，可能存在多个可用于通信的频谱，频 谱选择算法根据可用频谱的频谱特性和应用服务需求来为用户选择合适的通信用 户进入时，在该频谱上正在进行的通信需要转换到另一个可用的频谱上，快速频 谱切换算法保证应用服务的性能在此转换中不会受到过多的影响，保证切换时用 户连接得到维持。在算法设计中，收敛速度和避免乒乓效应是设计的重点和难点。 2 6 5 其他研究重点 ( 1 ) 认知无线电网络的路由设计 由于认知无线电网络中频谱在时间和空间上的自j 断性，网络拓扑结构和节点 间的连接性与传统网络有很大不同，相邻的节点可能因为工作在不同的信道上而 无法通信，正在通信的节点对也可能会因为主用户的出现而中断连接。因此，认 知无线电网络的路由设计面临着传统网络所没有的挑战 ( 2 ) 认知无线电网络的安全性 重庆邮电大学硕十研究生毕业论文 第二章认知无线电的相关研究 同传统网络一样，认知无线电网络面临着传统的数据安全与身份安全的威胁。 认知用户对主用户的监测以及频谱的动态分配引入新的安全威胁，如冒充主用户 的攻击、强占信道的攻击、对频谱共享过程的攻击等。因此认知无线电网络的安 全是个很有研究价值的领域。 ( 3 ) 认知无线电网络的传输层特性 由于认知无线电设备可能在通信过程中使用多个信道的特性，导致通信过程 中的r t t 可能在变化，另外，有频谱切换引入的频谱切换延迟也会对r t t 产生影 响，这些因素都可能导致重传超时r t o ，传统的t c p 协议的捌塞控制机制可能会重 传实际上没有丢失的数据包，造成端到端的吞吐量下降。因此，认知无线电网络 需要设计新的传输层协议来解决这些问题。 ( 4 ) 认知无线电网络的跨层设计 认知无线电网络需要各层的跨层设计，如频道感知需要m a c 层的技术以提高 感知准确度，频谱决策需要结合应用层的用户需求，路由的设计需要跟频谱的分 配一起进行设计以提高连接的稳定性和吞吐量，频谱切换需要跟传输层的拥塞控 制联合以提高端到端的通信性能。 重庆邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章动态频谱分配研究现状 第三章动态频谱分配研究 3 1 引言 在认知无线电系统中，动态频谱分配是其无线资源管理的重要内容。随着认 知无线电技术成为近年来的研究热点，认知无线电中的动念频谱分配技术也引起 了人们越来越多的关注。 一个好的动态频谱分配算法以最大化系统容量为目标，在满足用户需求的基 础上还需要保证用户间的公平性和不同业务的服务质量。 本章3 2 节介绍了目