（信号与信息处理专业论文）认知无线网络中频谱检测机制及频谱资源分配研究.pdf

南京邮电大学博士研究生学位论文摘要 摘要 无线通信需求的飞速发展与频谱资源的日益稀缺这一对矛盾必然使认知无 线电技术成为未来通信网络关键技术之一，因此认知无线电技术具有非常广阔研 究和应用前景。然而在认知无线电发展的近十年里，相对于目前研究较为成熟的 频谱检测算法，对频谱检测机制的研究却不多见。由于认知无线电应用环境的特 殊性，使得单纯凭借物理层的频谱检测算法是无法达到提高频谱利用率的目的， 必须有相应的频谱检测机制有效地指导认知用户对频谱资源进行检测。同时通过 频谱检测后所发现的频谱空洞如何合理、可靠的分配给认知用户接入使用，即频 谱资源分配问题同样也是认知无线电技术能否真正实现提高频谱利用率和避免 对主用户产生干扰目的的关键。 本文以认知无线电网络( c r n ) 为背景，深入研究了频谱检测机制和频谱资 源分配问题。在频谱检测机制方面，主要考虑了实际频谱环境的不确定性及信道 所处衰落级别对认知用户选择可用信道所造成的影响；而在频谱资源分配问题 上，考虑到认知网络中用户( 包括主用户和次用户) 的自私性，如何确保资源分 配的合理性、可靠性和公平性是研究的重点。 论文的主要贡献如下： ( 1 ) 研究了认知网络环境中信道状态检测的不确定性。由于认知用户无法 通过频谱检测算法获得认知网络中信道状态的准确信息，从而导致认知用户根据 这种不准确信息进行频谱接入时对主用户产生干扰，或者无法在选择的信道上完 成传输任务。针对这种情况，提出一种基于部分可测马尔科夫决策过程( p a r t i a l l y o b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ，p o m d p ) 模型的新型多无线电信道状态预 测算法。该算法通过采用p o m d p 模型对这种环境的未知性进行建模，同时结合 多无线电技术来设计认知用户的频谱检测过程用以避免对主用户的干扰，由此认 知用户能根据模型推断出下一个工作时隙中信道所处状态的最大可能性，并以此 作为下一个检测时隙检测信道排序的依据。 ( 2 ) 进一步研究了认知用户频谱检测的节能问题。由于认知用户可能的频 谱扫描范围较大，同时受到硬件条件、移动性等因素制约使得其在实际操作过程 南京邮电大学博士研究生学位论文 摘要 中必须考虑节能问题。为了提高检测效率以节约能量，在第一部分的研究基础上， 结合有限状态马尔科夫信道( f s m c ) 模型，进一步提出一种基于p o m d p 模型 的多无线电信道搜索机制。该机制通过p o m d p 模型对信道忙闲状态和衰落级别 的预测推断来为下一个检测时隙中认知用户扫描信道的排序提供依据，从而达到 降低能耗的目的。 ( 3 ) 在认知网络中往往存在多个认知用户，因此如何保证频谱资源分配的 有效性和公平性也是认知无线电技术所要解决的关键问题之一。针对传统频谱资 源分配中可能存在的自私用户提供虚假信息以欺骗其他用户来最大化自身利益 的问题，设计一种基于博弈论中维克瑞克拉克一格罗夫斯( v i c k r e y - c l a r k g r o v e s ， v c g ) 机制，并结合考虑认知网络用户优先级的两段式频谱资源分配策略来鼓励 用户提供真实信息，以有效地避免由于虚假信息给频谱资源分配带来的不公平 性，从而增强频谱资源分配的合理性和可靠性。 ( 4 ) 随着硬件成本的降低，一个认知用户可能配备多个无线电收发设备用 以同时对频谱进行检测和接入。而面对多个可用信道，传统的信道分配方法显然 己不适用。针对这个问题，采用非合作用户博弈理论分析和证明了单冲突域情况 下多无线电多信道分配问题达到纳什均衡所需满足的条件，并在此基础上研究了 信道分配的公平性。同时设计了相应的多无线电多信道分配算法来确保多无线电 条件下频谱资源分配的有效性和公平性。 关键词：认知无线电网络：频谱检测机制；频谱资源分配；部分可测马尔科夫决 策过程；多无线电；维克瑞克拉克格罗夫斯机制；非合作博弈 i i a b s t r a c t t 1 1 ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er a p i d l yd e v e l o p i n gr e q u i r e m e n t s o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h ei n c r e a s i n gs c a r c i t y o fs p e c t r u mr e s o u r c e s - i s b o u n dt om a k ec o g n i t i v er a d i ob e c o m et h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h ef u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h e r e f o r e ，i th a sv e r yb r o a d r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s h o w e v e r , c o g n i t i v er a d i od e v e l o p m e n t i nt h ep a s tt e ny e a r s ，a so p p o s e dt o t h em o r em a t u r eo ft h es p e c t r u ms e n s i n ga l g o r i t h m ，t h es p e c t r u ms c h e m ea r er a r e a s c o g n i t i v e r a d i oe n v i r o n m e n t sa r eu n i q u e ，r e l y i n gs i m p l y o ns p e c t r u ms e n s i n g a l g o r i t h mi nt h ep h y s i c a ll a y e rc a n n o ta c h i e v et h eo b j e c t i v eo fi m p r o v i n gs p e c t r u m u t i l i z a t i o n t h e r em u s tb eac o r r e s p o n d i n gs p e c t r u ms e n s i n g s c h e m et oe f f e c t i v e l y g u i d et h eu s e ro nt h es p e c t r u ms e n s i n g a l s oa f t e rt h e s p e c t r u mh o l e sw e r ef o u n d ， h o wt oa s s i g nt h er e s o u r c e st ou s e r sr e a s o n a b l ya n dr e l i a b l y i st h ek e yi s s u ef o r c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yw h e t h e rt o r e a l i z et h eg o a l so fi m p r o v i n gt h es p e c t r u m e f f i c i e n c ya n da v o i d i n gi n t e r f e r e n c eo nt h ep r i m a r y u s e r s i nt h ec o n t e x to fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k ( c r n ) ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e d c h a n n e lu s a g es t r a t e g y ( c u s ) i ns p e c t r u ms e n s i n gs c h e m ea n ds p e c t r u mr e s o u e s a l l o c a t i o n i s s u e s i na na s p e c to fc u s ，t h ei m p a c tt oc h a n n e ls e l e c t i o no fc o g n i t i v e u s e r sf r o mt h eu n c e r t a i n t yo fr e a ls p e c t r u me n v i r o n m e n ta n dc h a n n e lf a d i n gs t a t s i s m a i n l vc o n s i d e r a r t o n ；w h i l ea st os p e c t r u mr e s o u r c e sa l l o c a t i o n ，t h e s e l f i s h n e s so f u s e r si n c l u d i n gp r i m a r yu s e r sa n ds e c o n d a r yu s e r si n c r ni se n t i r e l yt a k e ni n t o a c c o u n tt oe n s u r et h a tt h ea l l o c a t i o ni sr a t i o n a l ，r e l i a b i l i t ya n d f a i r n e s s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ee x p r e s s e d a sf o l l o w s ： 1 t h eu n c e r t a i n t yo fd e t e c t i o no fc h a n n e ls t a t u si nc o g n i t i v en e t w o r ke n v i r o n m e n t s i ss t u d i e d a st h ec o g n i t i v eu s e r sc a n n o to b t a i nt h ea c c u r a t ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n b ys p e c t r u ms e n s i n ga l g o r i t h m s ，t h e y m a yi n t e r f e r e w i t hp r i m a r yu s e r sw h l l e a c c e s s i n gt h ec h a n n e l sa c c o r d i n gt ot h e f a l s ei n f o r m a t i o na n dn o tc o m p l e t et h e i r t r a n s m i s s i o nt a s k si nt h es e l e c t e dc h a n n e l t oa d d r e s st h i si s s u e ，an o v e lm u l t i 。r a d i o i i i m u l t i c h a n n e lc h a n n e ls t a t ep r e d i c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h et h e o r yo f p a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ( p o m d p ) m o d e l i nt h i sa l g o r i t h m ， t h eu n c e r t a i n t yo f c o g n i t i v ee n v i r o n m e n ti sm o d e l e db yp o m d pa n dt h em u l t i r a d i o t e c h n i q u et oa v o i di n t e r f e r e n c ew i t ht h ep r i m a r yu s e r si sc o m b i n e dt od e s i g nt h e s p e c t r u ms e n s i n gp r o c e s sf o rc o g n i t i v eu s e r s h e n c e ，c o g n i t i v eu s e r sc a nd e d u c et h e m a x i m u mp o s s i b i l i t yo fc h a n n e ls t a t ei nn e x tt i m es l o ta n dr e s o r tt h ec h a n n e li n d e x f o rc o g n i t i v eu s e r si nt e r m so ft h er e s u l t 2 t h el i m i t e dp o w e ro fc o g n i t i v eu s e r si sc o n s i d e r e d d u et os c a ns p e c t r u m p o s s i b l yi nt h el a r g e rs c o p ea n dl i m i t a t i o no fh a r d w a r ec o n d i t i o n ，m o b i l i t ya n do t h e r f a c t o r sm a k et h ec o g n i t i v eu s e r sm u s tc o n s i d e rt h ee n e r g yp r o b l e m t oi m p r o v et h e s e n s i n ge f f i c i e n c yt os a v ee n e r g y , b a s e do nt h ef i r s t p a r to ft h es t u d ya n dt h e c o m b i n a t i o n o ff i n i t es t a t em a r k o v c h a n n e l ( f s m c ) m o d e l ，ap o m d p b a s e d m u l t i 。r a d i oc h a n n e ls e a r c hs c h e m ei sf u r t h e r p r o p o s e d i nt h es c h e m e ，p o m d pm o d e l i sa p p l i e dt od e d u c et h ec h a n n e ls t a t ec o n s i s to f i d l e b u s ys t a t ea n df a d i n gl e v e li nt h e n e x ts e n s i n gs l o t ，a n dc o g n i t i v eu s e r sc a nu s et h er e s u l tt or e s o r tt h ec h a n n e ls e n s i n g i n d e xt oa c h i e v et h eg o a lo f r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n 3 g e n e r a l l y , t h e r ea r em u l t i p l ec o g n i t i v eu s e r si nac r n h e n c e ，h o wt og u a r a n t e e t h ev a l i d i t ya n df a i r n e s so fs p e c t r u mr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni st h ek e yi s s u ef o rc o g n i t i v e r a d i ot e c h n o l o g y t op r e v e n tt h es e l f i s hu s e r s p r o v i d i n gf a l s ei n f o r m a t i o nt od e c e i v e o t h e ru s e r st om a x i m i z et h e i ro w np r o f i t s ，an o v e lt w os t a g e s p e c t r u mr e s o u r c e s a l l o c a t i o ns t r a t e g yb a s e do nv i c k r e y - c l a r k e - g r o v e s ( v c g ) m e c h a n i s ma n d p r i o r i t yo f u s e r si nc r ni sp r o p o s e d t h i ss t r a t e g yc a na v o i dt h eu n f a i r n e s so fa l l o c a t i o n b y e n c o u r a g i n gu s e r st op r o v i d et r u ei n f o r m a t i o na n dt h e r e b ye n h a n c i n gt h er a t i o n a l s p e c t r u mr e s o u r c e sa l l o c a t i o na n dr e l i a b i l i t y 4 w i t ht h er e d u c t i o ni nh a r d w a r ec o s t s ，o n ec o g n i t i v eu s e rm a y b ee q u i p p e dw i t h m u l t i p l er a d i ot r a n s c e i v e rd e v i c e st os i m u l t a n e o u s l ys e n s i n ga n d a c c e s s n e v e r t h e l e s s ， i nt h ef a c eo fm u l t i p l ea v a i l a b l e c h a n n e l s ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc h a n n e l a s s i g n m e n ti sc l e a r l yn o ta p p l i c a b l e f o rt h i sp r o b l e m ，t h et o o lo fn o n c o o p e r a t i v e g a m et h e o r y i su s e dt o a n a l y z ea n dp r o v et h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rn a s h e q u i l i b r i u mt om u l t i - r a d i om u l t i c h a n n e la s s i g n m e n tu n d e ras i n g l ec o n f l i c td o m a i n 明dt h ef a i m e s so ft h ea s s i g n m e n t an o v e l f a i r n e s s - b a s e dc h a n n e la ll o c a t i o n a l g o r i t h m i nm u l t i r a d i o m u l t i c h a n n e le n v i r o n m e n ti sd e s i g n e d t oe n s u r et h e e f f e c t i v e n e s sa n df a i r n e s so fs p e c t r u mr e s o u r c e s a l l o c a t i o n k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i on e t w o r k ；s p e c t r u ms e n s i n gs c h e m e ；s p e c t r u m r e s o u r c e s a l l o c a t i o n ：p a r t i a l l y o b s e r v a b l e m a r k o v d e c i s i o n p r o c e s s ； m u l t i q a d i o ； v i c k r e y c l a r k e g r o v e sm e c h a n i s m ；n o n - c o o p e r a t i v eg a m e v 南京邮电大学 博士研究生学位论文摘要 学科：工堂 专业：值曼曼信：基处理 研究方向：班岱垣揎虫的蟹能信墨生信息丝理 作者：2 0 0 6 级博士研究生黄川指导老师：郑宝玉教授 题目：认知无线网络中频谱检测机制及频谱资源分配研究 t i t l e ：r e s e a r c ho ns p e c t r u ms e n s i n gs c h e m ea n ds p e c t r u mr e s o u r c e sa l l o c a t i o n i nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k 关键词：认知无线电网络；频谱检测机制；频谱资源分配；部分可测马尔科夫决 策过程；多无线电；维克瑞克拉克格罗夫斯机制；非合作博弈 k e y w o r d s ：c o g n i t i v e r a d i on e t w o r k ；s p e c t r u m s e n s i n gs c h e m e ；s p e c t r u m r e s o u r c e sa l l o c a t i o n ；p a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ； m u l t i r a d i o ；v i c k r e y - c l a r k e g r o v e sm e c h a n i s m ；n o n c o o p e r a t i v e g a m e 本论文得到以下基金项目资助 1 国家自然科学基金项目“具有感知和协作功能的下一代无线网络关键技术研 究( 6 0 9 7 2 0 3 9 ) ； 2 国家自然科学基金项目“跨层协作的可编程无线m e s h 网络及安全关键技术 研究 ( n o 6 1 0 7 2 0 8 0 ) ； 3 江苏省自然科学基金重点项目“具有认知和协作功能的下一代无线网络关键 技术研究( b k 2 0 0 7 7 2 9 ) ； 4 江苏省高校自然科学重大基础研究项目“基于环境感知的异构无线m e s h 网 络体系结构及关键技术研究”( 0 6 a 5 1 0 0 1 ) 。 缩略语表 l i s t0 fa b b r e v i a t i o n s c o m n e t c o g n i t i v em e s hn e t w o r k c r c r a h n s c r n c r u c s g c c s m a c a c t d s d s - m a p f c h f s m c i c i l p m i s m i t u l c r m a c d p c o g n i t i v er a d i o c o g n i t i v er a d i oa dh o en e t w o r k s c o g n i t i v er a d i on e t w o r k s c o g n i t i v er a d i ou s e r 认知m e s h 网络 认知无线电 认知a dh o c 网络 认知无线电网络 认知用户 c 0 1 0 rs e n s i t v eg r a p h c 0 1 0 r i n g 霍罄感的图论着 a s a 唧，s e n s e m u l i p l ea c c e s sw i m c 。l i i s i o n 载波侦听肿突避免v o i d a n c e m v 、，、q u c o g n i t i v et e r m i n a l 感知终端 d o w n s t r e a ms u b f r a m e 下行子帧 d o w n s t r e a mm a p 下行映射 f r a mc o n t r o lh e a d e r 帧控制头 f i n i t es 眈m a r k o vc h 锄e i 喜鉴状态马尔科夫 i n c e n t i v ec o m p a t i b i l i t y 激励相容 i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g 整数线性规划 i n d i v i d u a lr a t i o n a l i t y 个人理性 i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l t 、i i , 、科学和医疗 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 国际电信联盟 l e v e lc r o s s i n gr a t e 电平通过率 m e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制层 m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s 马尔科夫决策过程 v i 南京邮电大学博士研究生兰篁垒茎一塑! ! ! 堕 _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ - l _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 一 m i m c h 心伍 n 删c n b s n e p n p o m d p p u r a t s r t s s d r s n r s u u c s u h f u s u s m a p v c g w l a n w m n w p a n w ra n m u l t i i n t e r f a c em u l t i c h a n n e l m a x m i nf a i r n e s s m u l t i r a d i om u l t i c h a n n e l n a s hb a r g a i n i n gs o l u t i o n n a s he q u i l i b r i u m p r i m a r yn e t w o r k s p a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s p r i m a r yu s e r r a d i oa c c e s st e c h n o l o g i e s r e q u e s t t os e n d s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s e c o n d a r yu s e r u r g e n tc o e x i s t e n c es i t u a t i o n u l t r ah i 【g hf r e q u e n c y u p s t r e a ms u b f r a m e u p s t r e a mm a p v i c k r e y - c l a r k - g r o v e s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w i r e l e s sp e r s o n a ia r e an e t w o r k w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k 多接口多信道 最大最小公平性 多无线电多信道 纳什议价解 纳什均衡 主用户网络 部分可测马尔科夫 决策过程 主用户 无线接入技术 发送请求 软件无线电 信噪比 次用户 紧急共存状态 超高频 上行子帧 下行映射 维克瑞克拉克格罗 夫斯 无线局域网 无线网状网 无线个域网 无线区域网 墅型墅坠竖兰堕主堡墨垄兰! 垡垫 奎! 丝呈墨茎望堡塞兰 。- _ _ - - _ _ l - _ _ - - _ - 一二、w ：，d ，： 文中符号及其物理意义 每单位时间检测所消耗的平均时延 检测到一个空闲信道的平均时延 链路j 上认知用户包的平均到达时间间隔 链路j 上认知用户包的平均离开时间间隔 认知用户观测到的信道m 的利用率 一个检测周期中频谱空穴未被发现而损失的接入机会 检测信道而损失的接入机会 最优检测周期向量 l a m b e r t w 函数 虚警概率 漏检概率 检测概率 零假设 备择假设 授权用户未出现的概率 授权用户出现的概率 认知用户撤出信道的概率 寻找到新的空闲信道所需的平均检测时长 时隙 在时隙t 各信道状态信息欠量 信道口在时隙t 内处于空闲的概率 t t e q 4 扩 彳一 弓 足 弓 风 塌 删 删 乙 一k ， 吾! 信道a 信道状态从被占用到空闲的转移概率 信道a 保持空闲状态的转移概率 离散观测时间序列 信道状态历史信息 可用信道集合 可用信道数目 有限信道状态集合 认知用户对信道采取的动作集合 信道状态转移函数 瞬时报酬函数 用户对信道的观测状态集合 观测函数 信念状态空间 信道所处状态 信道所处状态的概率 信道带宽 认知用户采用的策略 值函数 折扣凼子 、 各信道所处状态序列 信道状态转移次数向量 非完全g a m m a 函数 算法复杂度 检测样本数目 认知用户剩余能量 认知用户检测每一个信道所消耗的能量 尾 马 日c s 么丁r z 。口 s 肼 万 哪 f a 谚 附， 三 删 塑塑堕型堕型塑望堡塑苎塑壑 一苎! 垄兰墨茎塑堡鲞兰 - - _ 一一y 7o ”1 ”h ，口； x 信道所处能耗状态 信道所处衰落级另ul - j 限 接收信号信噪比 能耗状态转移概率 通过门限l 的平均次数 信道在状态时的平均符号传输速率 用户申请的频谱资源 误码率 信道传输效率 收益函数 用户基本收益函数 用户支付成本函数 可调收益参数 用户支付税收函数 具有高带宽的信道 具有低带宽的信道 用户集合 节点配备的无线电数目 用户占用网络吞吐量函数 用户效用函数 l 厂 m g 脚 q m 舶 m q q老 哟 南京邮电大学博士研究生学位论文 图表说明 图表说明 图1 1 频谱信号强度分布图2 图1 2 频谱资源使用情况观测图2 图1 3m i t o l a 的认知无线电的智能决策过程4 图1 4 生物启发式认知无线电引擎图5 图1 5 基于基础架构的认知网络架构：7 图1 6 认知a dh o c 网络架构7 图1 7 认知m e s h 网络架构8 图1 8 认知无线电频谱检测技术研究分类图1o 图1 9 认知用户检测周期示意图1 7 图卜1 0 认知用户周期检测和寻找新的空闲信道示意图17 图1 1 1 基于p o m d p 模型的时隙图l9 图1 1 2 串行搜索示意图2 0 图1 1 3 聆步串行搜索示意图2 1 图1 1 4 认知网络中网内和网际频谱共享示意图2 4 图1 1 58 0 2 2 2m a c 协议超帧结构示意图。2 7 图1 1 68 0 2 2 2m a c 协议帧结构示意图2 8 图2 1m d p 模型示意图。3 3 图2 2p o m d p 模型示意图3 5 图2 3 多无线电工作模式示意图3 8 图2 4 各个信道时隙状态示意图3 9 图2 5 两状态m a r k o v 信道模型3 9 图2 6 一个时隙的操作过程4 0 图2 7 虚警率和检测率的关系4 7 图2 8c s p a 算法与r c s a 算法的对比4 8 图2 9 不同观测时隙值对算法的影响4 9 图2 1 0 信道数目对算法的影响5 0 x 1 南京邮电大学博士研究生学位论文图表说明 图2 1l 三种机制性能对比6 2 图2 1 2 不同f q 情况下m r c s s 性能对比。6 3 图2 一1 3 不同检测能耗情况下的对比6 4 图2 一1 4 相同带宽和不同带宽情况下的比较6 4 图2 l5 信道数目不同情况下见值6 5 图2 - 1 6 检测率不同情况下成值。6 5 图3 1 一个工作时隙示意图。7 1 图3 2 两种情况下系统总收益比较7 8 图3 3 两种情况下信道使用次数比较7 9 图3 4 不同欺骗率情况下系统收益对比。7 9 图3 5 不同欺骗率情况下信道虚报使用比较8 0 图4 1 一个信道分配的示例8 3 图4 2 达到n e 的信道分配策略示意图8 8 图4 3 满足公平性的达到n e 的信道分配策略示意图8 8 图4 4 三种算法的比较。9 3 图4 5 信道负载对比。9 3 图4 6in - - 1 0 0 情况下三种算法的比较9 4 图4 7 不同无线电数目条件下算法的对比9 4 图4 8 信道有限条件下不同无线电数目的对比9 5 表2 1 不同状态的s n r 门限值与转移概率6 l 表3 1 两段式频谱资源分配算法7 5 表4 1 基于公平的信道资源分配算法描述9 0 南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪沧 1 1 引言 第一章绪论 随着无线应用的飞速发展，各种无线技术应运而生，特别是随着无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) 、无线网状网( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ， w m n ) 、无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 等技术的发展， 使得人们越来越多地以无线的方式接入互联网。然而随着需求的不断增长使得无 线通信领域中的频谱资源已成为社会不可或缺的、与其他自然资源( 如石油、土 地等) 同等宝贵的资源。面对日益稀缺的频谱资源，原有固定的无线频谱资源分 配方式显然以无法满足，在无线电利用较为广泛的美国，2 0 0 3 年公布的频谱分 配图方案显示其频谱资源已濒临枯竭【。 近年来很多研究机构在分析监测当前无线频谱使用情况时发现：在当前频谱 资源分配方案前提下，虽然大部分频谱已被分配给不同的用户，但其中大部分频 点未能得到充分使用，而某些热点频率又处于超负荷使用状态。图1 1 显示了大 部分无线频谱上的信号强度分布情况，可见频谱的利用集中在某几个频点上，而 大量的频谱在大多数时间段内却并未被使用。图1 2 显示了美国加州大学伯克利 分校无线电研究中心对0 2 5 g h z 的频谱使用情况实际测量的结果，该图明确地 显示了频谱利用效率低下的情况【2 】。文献 3 显示b e r k e l y 地区在3 g h z 以下的利 用率仅有大约3 0 ，而3 - 6 g h z 的利用率还不到1 。而来自美国国家无线电网 络研究实验床( n a t i o n a lr a d i on e t w o r kr e s e a r c ht e s t b e d ，n r n r t ) 项目的测量报 剖4 】【5 】则表明在3 g 以下频段内存在很多时间上的空白，3 0 3 0 0 m h z 的平均频谱 利用率仅有5 2 。而这些频段恰恰被人们认为是最拥挤的频段。根据美国联邦 通讯委员会( f c c ) 所提供的数据显示【6 】，随着时间和地域的差异，在美国已授 权分配的大量无线电频段中，利用率从1 5 到8 5 不等，波动范围很大。 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 懈 膨 舍 置 使用密茹位jii舒痿 _ i - i 。i 毽甩稀步 琶雕申辱 i 。i k l-l 匿l l l i i i 。i j l 一- 一i i i jj 2 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 r a d i o ，a ni n t e g r a t e da g e n ta r c h i t e c t u r ef o rs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，1 8 】中进一步提 出了一种c r 的体系架构和c r 的循环认知模型，并在论文最后提出了一利r 简单 的c r 原型系统的设计实现。 认知无线电是一个智能无线通信系统【9 】，它能够感知外界环境，并使用人工 智能技术从环境中学习，一通过实时改变某些操作参数( 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、任何地点的高可靠通信以及对频谱资源的有效利用。所谓的“认知”功 能是指无线通信设备可以按照某种“伺机”( o p p o r t u n i s t i cw a y ) 的方式工作在己 授权的频段内，以凸显其对周围频谱环境的自适应能力，从而实现高效、智能化 使用频谱资源的目的。当然，非授权用户能否使用授权的频谱资源有一个原则， 即当非授权用户通过某种的方式( 租用或者借用等) 使用已授权的频谱资源时， 必须保证它的通信不会影响到其它已授权用户的通信。而这一定要建立在已授权 频段空闲或只有很少的通信业务在活动的情况下。其中在空域、时域和频域中出 现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞” 9 - 1 1 】( s p e c t r u mh o l e ) 。为了能 使非授权用户遵守这一原则，在认知无线电中，所有非授权用户必须按照一定的 规则来使用所发现的“频谱空洞”，而这样的规则可以以某种机器可理解的形式 ( 如x m l 语言) 加载到通信终端上【兀。 相对于认知无线电的概念，其定义在发展过程中出现多种不同的版本，