（信号与信息处理专业论文）认知无线电动态频谱接入及qos保证技术研究.pdf

南京邮电大学硕j ：学位论文摘要 摘要 认知无线电技术为解决当前频谱利用率低下的现状提供了一条新思路。它能够感知无 线环境，检测频谱空穴，在不对授权用户造成干扰的前提下实现对频谱的次级使用。 本课题是在教育部重点科技项目“基于信号处理和人工智能的认知无线电关键技术研 究 ( 项目编号：2 0 0 6 0 5 5 ) 的支持下进行的。论文首先详细介绍了认知无线电系统的关键 技术，应用场景及其标准化。认知无线电的关键技术包括：频谱感知，动态频谱分配，功 率控制等等。 接着重点研究了认知无线电系统中的动态频谱接入和共享技术。无线区域网( w r h n ) 是一种集中式认知无线电系统，本论文探讨了在w r a n 中如何智能的利用频谱空穴同时 避免对授权用户造成干扰，以及不同的w r a n 如何共享频谱空穴，才能兼顾到效率和接 入的公平性。对于以a dh o c 方式组网的认知无线电网络，其中的结点受能量及硬件条件限 制，只能感知部分信道。通过把系统建模为部分可观测马尔可夫决策过程( p o m d p ) ，本 论文探讨了最优和次最优的信道感知和接入策略，提出了一种改进的降低复杂度的最优策 略。并结合上述几种策略设计出一种实用的感知m a c 协议。 最后着重研究了认知无线电系统中的q o s 保证问题。由于次级用户随时可能要让出当 前使用的频段给授权用户使用，因此必须采取有效的机制来保证次级用户的服务质量。本 文探讨了如何利用较少的冗余来保证次级用户的服务质量，提出了一种改进的增加传输冗 余和增加备用子信道相结合的方案。新方案有效的保证了次级用户的服务质量，同时具有 较高的频谱利用率和能量效率。 关键词：认知无线电，频谱空穴，无线区域网( w r a n ) ，动态频谱接入，频谱共享， m a c 协议，q o s 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i oi ss e e na st h es o l u t i o nt ot h ec u r r e n tl o wu s a g eo ft h er a d i os p e c t r u m i tc a l l s e n s et h ee n v i r o n m e n t ，d e t e c ts p e c t r u mh o l e s ，a n dr e a l i z es e c o n d a r yu s a g eo fs p e c t r u mw i t h o u t c a u s i n gi n t e r f e r e n c et op r i m a r yu s e r s t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h ep r o je c to fm i n i s t r yo fe d u c a t i o nw h i c hn a m e sr e s e a r c ho n t e c h n i q u e so fc o g n i t i v er a d i ob a s e do ns i g n a lp r o c e s s i n ga n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ek e yt e c h n i q u e s ，a p p l i c a t i o n sa n ds t a n d a r d i z a t i o no fc o g n i t i v er a d i of i r s t t h ek e y t e c h n i q u e so fc o g n i t i v er a d i oi n c l u d es p e c t r u ms e n s i n g ，d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，p o w e r c o n t r o le t c t h e nw es t u d yt h ed y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o na n ds p e c t r u ms h a r i n gt e c h n i q u e si nc o g n i t i v e r a d i os y s t e m 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 ( w ra i sac e n t r a l i z e dc o g n i t i v er a d i os y s t e m h o wt ou t i l i z et h eu n u s e ds p e c t r u mi na ni n t e l l i g e n tw a yw h i l e a v o i dh a r m f u li n t e r f e r e n c et ot h e i n c u m b e n td e v i c e sa r ei n v e s t i g a t e d a n dw ea l s of o c u so nh o waw r a ns y s t e mc o e x i s tw i t h o t h e rw r a ns y s t e m sb ys h a r i n gt h es p e c t r u mh o l e so fw h i c ht h eo b j e c t i v ei st op r o v i d ef a i ra n d e f f i c i e n ts p e c t r u ma c c e s s e sf o rw r a ns y s t e m s r e c o g n i z i n gh a r d w a r ea n de n e r g yc o n s t r a i n s ， w ea s s u m et h a tas e c o n d a r yu s e ri na dh o cc o g n i t i v er a d i os y s t e mm a yn o tb ea b l et op e r f o r m f u l l - s p e c t r u ms e n s i n g u n d e raf r a m e w o r ko fp a r t i a lo 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 ) ，w ei n v e s t i g a t eo p t i m a la n ds u b o p t i m a ld e c e n t r a l i z e ds t r a t e g i e sf o rs e c o n d a r yu s e r st o d e c i d ew h i c hc h a n n e l ( s ) t os e n s ea n da c c e s sf o rt h em a x i m i z a t i o no ft h eo v e r a l lt h r o u g h p u t ，a n d p r o p o s ea ni m p r o v e do p t i m a ls t r a t e g yw i t l l l o w e rc o m p l e x i t y b a s e do nt h eo p t i m a la n d s u b o p t i m a ls t r a t e g i e s ，w ed e s i g na ne f f i c i e n tc o g n i t i v em a cp r o t o c 0 1 a tl a s tw ef o c u so nt h eq o so fc o g n i t i v er a d i os y s t e m s t h es e c o n d a r yu s e r sh a v et ov a c a t e t h ec o r r e s p o n d i n gc h a n n e l so n c et h ec o r r e s p o n d i n gp r i m a r yu s e r sr e c l a i mt h e i rs p e c t r u m i n o r d e rt om a i n t a i nt h eq o so ft h es e c o n d a r yc o m m u n i c a t i o n s ，e f f i c i e n tm e c h a n i s m sa r en e e d e d i nt h i sp a p e r , w es t u d yh o wt om a i n t a i nt h eq o so fs e c o n d a r yu s e r sw h i l ea d d i n gl e s s r e d u n d a n c y , a n dp r o p o s ea ni m p r o v e ds c e n a r i ow h i c ha d d sr e d u n d a n c ya n du s e sc a n d i d a t e s u b - c h a n n e lj o i n t l y t h en e ws c e n a r i oe f f e c t i v e l y i m p r o v e st h eq o so ft h es e c o n d a r y c o m m u n i c a t i o n sa n dh a sh i g h e rs p e c t r u mu t i l i z a t i o na n db e t t e re n e r g ye f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u mh o l e 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 ( w 毗n ) ， d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ，s p e c t r u ms h a r i n g ，m a cp r o t o c o l ，q o s i l 南京邮电大学硕士学位论文 缩略语 b p s k b s c p e c r d f s d s a f c c i t l c c m a c o d s c o f d m p u q o s r f p o m d p s i r s d r s n r s u s u l t p c w r a n 缩略语 ( b r i e fg l o s s a r y ) b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g b a s es t a t i o n c o n s u m e rp r e m i s ee q u i p m e n t c o g n i t i v er a d i o d y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t i o n 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 i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e l o g i c a lc o n t r o lc o n n e c t i o n s m e d i aa c c e s sc o n t r o l o n - d e m a n ds p e c t r u mc o n t e n t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p r i m a r yu s e r q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i of r e q u e n c y p a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o v d e c i s i o np r o c e s s s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s i g n a lt on o i s er a t i o s e c o n d a r yu s e r s e c o n d a r yu s e rl i n k t r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o l w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k i i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 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 他复制手段保存论文。本人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：导师签名： 日期： 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线频谱资源使用现状 随着信息时代的到来，无线服务如移动通信、公共安全、广播电视等的出现和广泛使 。用，标志着无线频谱已成为现代社会不可或缺甚至是比土地和矿藏更宝贵的资源。一般通 信系统发射机和接收机的使用都需要政府批准，才能进入通信网络，因此那些没有授权的 频段如无线局域网w l a n 所在的2 4 g h z - 2 4 8 4 g h z 等，在无线技术的发展中起着关键作 用，成为许多重大革新的发源地，由此产生的一系列突破性的成功以及由之带来的许多先 进技术使得制定标准的组织( 如美国电气电子工程师学会i e e e 、美国联邦通信委员会f c c ： 等) 开始分析如今频谱的利用方式，以试图提高无线资源的利用率。 2 0 0 2 年1 1 n 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 k f o r c e ) 递交 的报告【1 】，目的在于改善频谱管理方式。事实上在许多频段，频谱接入是比频谱物理稀缺 更重要的问题。如果我们对城市地区和乡村偏远地区进行无线频谱扫描，就会发现：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( 如图 1 1 1 2 ，图1 2 1 3 所示) 。f c c 研究表n y j 4 ，固定分配频段的利用率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式频谱接入这种新的通信范例成为必要 【6 。这就促使f c c 重新审视频谱管理的传统方法。他们不仅意识到在特定的授权频带频谱 利用率很低，而且意识到无线资源的缺乏大大阻碍了无线通信的发展，使得包括宽带接入、 公共安全、卫生保健、商业以及娱乐方面的应用无频率资源可用。 当前，一方面日益增长的无线业务对无线频谱资源的需求不断增长，导致可用频谱资 源日益紧缺；另一方面，大量授权无线频谱却被闲置或者利用率极低。动态频谱接入技术 被提出，以解决当前频谱利用率不高的问题。通过不干扰授权用户而随机接入的方式可以 提高现存频谱的利用率。当接入异类网络时，不同的频段和接入类型可以通过移动终端的 漫游来捕获和处理。而认知无线电c r ( c o g n i t i v er a d i o ) 被认为是解决上述无线频谱利用率 低，实现动态频谱接入问题的最佳方案。 南京邮电大学硕学位论文 第一章绪论 二旦5 孟昌 世删 目五囝田矗瞳删剐 u 瓢础 堪圈口锄岫 商瞄嘲曩洒匿黝 必圜鼗酗盥鳖磷盏邕 图11f c c 的频谱分配，其中在1 g 到5 g 之间被分配多次 h m “h d 6 5 d 。7 “c l l 0 l i 。抽_ h 1 1 f _ 哟( m 嘲 图1 2 n e w y o r k 市区由s h a r e ds p e c t r u m c o m p a n y 通过4 3 分钟的加高天线 测量得到频谱占用结果 1 2 认知无线电的定义和特点 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念是由j o s e p hm i t o l a 博士提出的，他在1 9 9 9 年发表的一篇学术论文 7 】中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表示语言 ( r k r l ) ”的新语言提高个人无线业务的灵活性，随后在2 0 0 0 年瑞典皇家科学院举行的 博士论文答辩中详细探讨了这一理论8 1 。 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，使用最适合的无线资源( 包括频率、调制方式、发射功 率等) 完成无线传输。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。其主要目的就 是提高无线通信的可靠性和提高无线频谱资源的使用效率。 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 由定义可以看出，认知无线电的一个最大优势就是无线用户可以通过该技术实现“频 谱共享 。目前大多数频谱已经被划分给不同的许可持有者( 又称为首要用户) ，包括移动 通信、应急通信、广播电视等。但是随着用户需求的增长，简单地通过开发新的无线接入 技术和使用新的频点已经无法充分满足市场需求。 与学术研究给出的定义略有不同，f c c 的定义相对狭义一些：认知无线电技术是无线 终端利用与周围无线环境进行交互所获取的无线背景知识，调整传输参数，实现无线传输 的能力。即只要具备环境探测，并且能够调整传输频点和相关传输参数的设备就是认知 无线电设备。 实际上，认知无线电技术是对频谱资源从时间、空间和频率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，可以在不影响授权用 户的前提下使用该频段。如果该频段的授权用户恢复无线传输，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授权用户产生干扰。认知 无线电具有在不影响其他授权用户即主要用户p u ( p r i m a r yu s e r s ) 的前提下智能地利用大 量空闲频谱并且具有随时随地、智能、高可靠性通信的潜能。而诸如信号处理，人工智能、 软件无线电、频率捷变、功率控制等技术的迅猛发展赋予了认知无线电系统实现的可能。 图1 3 认知无线电感知循环图 认知无线电的感知循环如图1 3 所示， 8 ，9 ，1 0 】中感知循环所涉及以下3 个主要步骤： 1 ) 频谱感知一扫描频段，获取信息并检测频谱洞； 2 ) 频谱分析一频谱洞的特性通过感知估计； 3 ) 频谱决策确定数据速率、传输方式和传输波段，频段特性和用户需求决定适当的频 段被选择。 南京邮电大学硬学位论文 第一章绪论 一旦传输频段确定后，可以接入信道开始通信。无线环境随时间和空间变化，因此认 知无线电需要跟踪变化。如果当前频段重新变得不可使用，则通过频谱切换功能 1 1 】( 也 称为退避机制) 来提供一个无缝的传输。环境改变、授权用户出现、流量改变和用户移动 都会触发切换。c r 用户通过操作频段、调制、传输功率及其它通信技术实现频谱环境的 自适应，也就是它的可重配置特性f 4 。 认知无线电技术最重要的挑战是如何共享频段而不干扰授权用户的传输。在动态频谱 接八时，认知无线电用户所使用的时间、空间、频域上末用的频谱，叫做频谱洞( s p e c t r u m h o l e 或者w h i t es p a e e ) g l ，如图14 所示。 ；。z s c c c ss ， m c b u n l 】_ 儿_ 图14 时间、空间、频域中可用于动态频谱接入的频谱洞 1 3 认知无线电研究现状 美国联邦通信委员会f c c 在2 0 0 2 年发布的s p t f 报告。对频谱资源使用政策的变化， 具有深远的影响。报告设定了认知无线电工作组2 0 0 3 年5 月在华盛顿成立，随后在2 0 0 4 年3 月就在美国拉斯维加斯召开了一个认知无线电的学术会议，标志着c r 技术的研究正 式起步。 学术界也紧跟着行动起来了，著名通信理论专家s i m o nh a y k i n 在2 0 0 5 年2 月j s a ci n c 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 d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ”，为国际性的认知无线电技术研究开了头。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开研究，r u t g e r s 大学w i n l a b 实验室正在进行认知无线电平台的开发。 目前美国国防部d a r p a 的x g 计划将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技 术，以实现动态频谱接八和共享，其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高1 0 到2 0 倍。如图14 所示为d a r p a 的x ( 3 计划构思的动态频谱利用图。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 等公司也已经开始着手进行认知无线电系统技术的研究。 南京电大学硕学位论文第一章绪论 圈14 以认知无线电为核心的d a r p a 的x g 计划 认知无线电的首要目的在于提高频谱利用率，这不仅是个技术问题，由于要从根本上 改变过去的无线电资源分配状态，因此要想实现它，除技术开发之外，还必须有政府法规 上的支持。美国在2 0 0 4 年5 月颁布n p r m ( n o t i c eo f p r o p o s e d r u l e m a k i n g ) ，允许在不影 响授权用户( 如电视接收者) 的前提下，通过认知无线电技术使用电视广播频段中的未使 用的无线资源，为实现认知无线电的实用化放宽了相关的限制。日本也己宣布将于2 0 0 5 年度开始探讨该技术。欧洲目前德国、英国、意大利、瑞典都有相关机构在研究。 到目前为止，认知无线电有多种不同的定义和概念模型以及不同的体系架构，如 b e r k e l e y 大学提出的一种体系架构( 如图15 ) ，这种模型只考虑了最底下两层与普通的o s l 模型的不同之处，该模型只考虑了波形感知、频谱感知、网络感知、状态感知等，而没有 考虑到地理位置感知、本地可用业务感知、用户需求感知、语言感知等。但是总的来说， 认知无线电是一个智能的无线通信系统，目前对它的研究主要集中在物理层和m a c 层。 认知无线电能感知周围无线环境，通过对环境的理解、主动学习以实现在特定的无线操作 参数上( 如功率、载波调制和编码等方案) 实时改变和调整它的内部状态，适应外部无线 环境的变化，达到最优化通信系统性能的目的。认知无线电具有在不影响授权用户的前提 下随时随地智能的利用空闲频段实现可靠通信的潜能。 二垂匦垂二二二二 n e t w o r ki a v e r 一旦业鱼! 生广u 。n i v e r s a 。i i 警必k 刻l 竺勰。 i 篙1 席虱慕萄i 高1 _ j p h y s i c a l l a y e 一 一一 图1 5b e r k e l e y 大学提出的一种认知无线电网络体系结构 雾垒司 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 另外，最近两年国际上还召开了两个重要的关于认知无线电技术和动态频谱分配的会 议。它们分别是2 0 0 4 年1 0 月份在w a s h i n g t o n ，d c 召开的c o g n i t i v er a d i o sc o n f e r e n c e ， 该会议的主要议题包括：认知无线电的频谱政策，从软件定义的无线电发展到认知无线电， 自适应频谱管理，自适应调制和波形技术。另一个是2 0 0 5 年1 1 月份召开的d y s p a n ( d y n a m i c s p e c t r u ma c c e s s ) 会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术。 另外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8 日到1 0 日在希腊召开，相关的论文和研究成果也已经出版发行。 1 4 论文的主要工作 本文在紧跟国内外最新研究动态的基础上，重点研究了认知无线电动态频谱接入和共 享技术以及认知无线电系统中的q o s 保证问题。频谱共享技术从系统架构出发可分为中心 式频谱共享和分布式频谱共享，本文分别研究了w r a n 和a dh o e 认知无线电网络中的动 态频谱接入和共享技术，接着研究了认知无线电系统中的q o s 保证问题，探讨了如何利用 较少的冗余来保证次级用户的服务质量。论文的内容和结构安排如下： 第二章介绍了认知无线电系统的关键技术，应用场景以及标准化进程。认知无线电的 关键技术包括：频谱感知和授权用户检测，动态频谱分配，功率控制等等。 第三章着重研究了一种集中式频谱共享系统一一w r a n 中的动态频谱接入和共享技 术。探讨了在w r a n 中如何采用射频感知、动态频率选择( d f s ) 、传输功率控制( t p c ) 的策略来保护授权用户的服务，以及不同的w r a n 系统如何共享频谱空穴，才能兼顾到 效率和接入的公平性。 第四章主要研究了a dh o c 认知无线电网络中的动态频谱接入和频谱共享问题。a dh o e 网络中的结点受能量及硬件条件限制，只能感知部分信道。通过把系统建模为部分可观测 马尔可夫决策过程( p o m d p ) ，探讨了最优和次最优的信道感知和接入策略，提出了一种 改进的降低复杂度的最优策略。并结合上述几种策略设计出一种实用的感知m a c 协议。 第五章着重研究了认知无线电系统中的q o s 保证问题。由于授权用户相对于次级用户 对频谱资源的使用具有优先权，因此次级用户随时可能要让出当前使用的频段给授权用户 使用。为了保证次级用户的服务质量，必须采取有效的措施。本文探讨了如何利用较少的 冗余来保证次级用户的服务质量，提出了一种改进的增加传输冗余和增加备用子信道相结 合的方案。新方案有效的保证了次级用户的服务质量，同时具有较高的频谱利用率和能量 效率。 第六章对全文进行了总结，并指出了今后进一步的研究方向。 6 南京邮电大学硕士学位论文 第二章认知无线电的关键技术、应用及其标准化 第二章认知无线电的关键技术、应用及其标准化 认知无线电是一种智能的无线通信技术，能够有效的解决目前频谱利用率低的问题。 它能够感知外部环境，使用边了解边积累的方法对外部环境进行学习，并根据外部环境提 供的激励，对运行参数进行修改( 传输功率、载波频率、调制方式等等) ，自适应调整内 部状态，从而有效提高无线通信的可靠性和无线频谱资源的使用效率。从认知无线电的定 义中，我们不难发现六个关键字眼：感知、智能、学习、自适应性、可靠性和效率 9 】。认 知无线电为提高频谱利用率提供了一个新思路，下面将讨论认知无线电的关键技术 9 ，4 5 ，4 8 。 2 1 认知无线电的关键技术 2 1 1 无线环境的场景分析和干扰抑制 认知无线电系统传输信号时，首先要分析无线传输场景，无线发射机产生的激励是非 平稳、空时信号，因为它们的统计特性依赖于时间和空间。对无线场景分析的任务涉及到 空时处理，包含如下操作：1 ) 自适应频谱感知的各种相关功能，比如干扰温度的估计和 频谱空穴的检测。2 ) 用于干扰抑制的自适应波束形成。 1 ) 干扰温度的定义和测量 当前无线环境是以发射机为中心的，接收机处的信号功率在设计中要高于一个噪声底 限以降低可能的干扰。可是，由于新的不可预料的干扰源的出现，射频噪声底限可能升高， 因而引起信号覆盖范围衰减。为防止这种情况，f c c 推荐了一种干扰评价方法，也就是从 单纯的接收机对干扰进行测量向发射机和接收机之间自适应实时交互测量的方向转变，这 种变化产生了一种新的干扰度量方法，叫做干扰温度i t ( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e ) ，如图2 1 所示。干扰温度公式为乃= 只l d 3 ，k 为波尔兹曼常数，等于1 3 8 1 0 彩j k ，b 为相应带宽， 只为干扰功率( 由内部噪声源和外部射频能量累加产生) ，用于量化和管理无线环境的干 扰源。而干扰温度限描述了特定频段和特定地理位置射频环境的最恶劣情形。在干扰温度 限内，接收机期望能正常工作。给定任一个频段，若通信系统接收机处的干扰温度不超过 一定界限，那么等待服务的用户就能使用该频段，干扰温度限将作为该频带的无线电频率 功率的上限。 7 南京电大学硕士学位论文 第= 章认知无线电的关键技术、应用丑其标准化 图2 1 干扰温度的测量 对于认知无线电系统，接收机可靠的估计干扰温度非常重要，可以使用多窗方法来估 计干扰温度的功率谱( 由内部噪声源和外部射频能量累加产生) ，多窗谱估计联合奇异值 分解为射频环境中噪声底限的功率谱估计提供了有效的方法。 2 ) 频谱空穴感知 频谱空穴是指被分配给某初始授权用户但在特定时间和具体位置该用户并没有使用 的频带。首先，将频谱区域分成3 种类型：a ) 黑色区域，常被高能量的局部干扰占用；b ) 灰色区域，有部分时间被低能量干扰占用；c ) 白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰的 占用。一般情况，白色区域和有限度的灰色区域可被等待服务的用户使用。在认知无线电 系统中频谱空穴的可靠检测对于系统的设计和实现是极其重要的。目前针对授权用户p u 的( 有主用户意味着频谱空穴不存在) 感知和检测，主要采用两种方法 3 3 1 ：基于能量的感 知和基于波形的感知。相比之下，基于波形的感知比如循环平稳谱估计和特征检测等性能 要比单纯的能量感知好。但无论使用哪种方法，检测过程不得不在某个具体的地点进行， 另外检测应足够灵敏。 3 ) 基于自适应天线波束成形技术的干扰抑制 为了优化射频激励信号的空间特性，可以采用自适应天线波束形成技术，对认知无线 电接收端的干扰进行抑制。在认知无线电发射机上采用定向发射天线，避免信号向各个方 向传播，还可以节省功率。假定每个认知无线电发射机都有固定的发射方向，则由其他发 射机产生的干扰最小化。 在接收机上采用波束成形对来自己知发射机的干扰进行自适应的残余干扰对消。和其 他未知发射机产生的干扰一样，可以设计使用一个鲁棒性的通用旁瓣对消器，来保护目标 射频信号并沿着干扰方向置零、空信号。 2 12 信道状态估计及其容量预测 南京邮电大学硕士学位论文第二章认知无线电的关键技术、应用及其标准化 为了解决信道状态估计问题，传统上我们采用如下两种方法：1 ) 差分检测：2 ) 导频传输。 差分检测法提供了鲁棒性和实现的简单性，但是代价是接收机帧差错率f e r 随着信噪比 s n r 的恶化性能显著下降。另一方面，导频传输提高了接收机的性能，但是导频在发射功 率和信道带宽方面是要付出代价的。基于上述两种方法，可以使用半盲训练的方法达到性 能和带宽资源的折中，它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，使用高斯状态空间模型，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 ( p a r t i c l ef i l t e r ) 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，可使甩香农定理 计算信道容量c 。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 1 3 功率控制 在传统的以基站为中心的无线通信系统中，功率控制通过基站实现，因此可以提供必 要的覆盖范围和比较理想的接收机性能。对于认知无线电系统，也可以采用这种功率控制 技术。不过，还是有必要考虑无中心的工作方式，因而可以拓宽它的应用范围，这种情形 下，应找到某些可选的方式来控制发射功率。多用户c r 系统的功率控制问题可看作是一 个对策论问题。若每个用户最大化自己的效用，功率控制问题被归结为一个非合作对策； 若不考虑竞争现象，可看作是合作对策，该问题就简化为一个最优控制理论问题。博弈论 ( g a m et h e o r y ) 和信息论中的注水法可以用来解决功率控制的问题，相比之下，迭代的 注水法有很多方法可以用来处理多用户的场景，两者可以相互结合来提高性能。 2 1 4 动态频谱接入和频谱共享 动态频谱管理也称为动态频谱分配，如图2 2 所示。简单的说，结合功率控制，频谱 管理的主要目的在于采用一个自适应的策略，从而有效利用无线频谱。通过无线场景分析 器检测频谱空穴，选择合适的调制策略，控制发射机功率，自适应不断变化的无线射频环 境，始终确保可靠的通信。通过适当的频谱分配策略可以实现认知无线电系统与授权用户 之间的频谱共享。 调制技术方面，可以考虑采用o f d m ( 正交频分复用) 技术，该技术灵活而高效，这 也是移动通信中b 3 g 4 g 网络将要采用的技术。o f d m 使用一个正交的载波频率集合，传 9 南京邮电太学硕士学位论文 第= 章认知无线电的关键技术、应用及其标准化 输信息分别调制到各个载波上。该技术特别适合频率选择性衰落信道以及可变信道的信息 传递。 通信业务量方面，对于c d m a 系统，通信业务量和干扰等级是相关的。在一个认知无 线电系统中，若采用c d m a 技术，则动态频谱管理算法自然集中在用户的分配上，首先 是分配较低干扰级的白色频谱空间，其次是有较高干扰级的灰色频谱空间。当使用其它多 址技术时，同信道干扰必须避免。为了满足要求，动态频谱管理算法必须包括占用黑色空 间的授权用户的通信业务量模型。 o p p o r t u n i s t i cs p e c t r u mu s a g e l m d ( _ 。j v ( ) v i a ym o _ i n “o f “、。“1j 峙s d d l l “ 图2 2 认知无线电系统的动态频谱分配 认知无线电技术是未来无线通信的希望。通过频谱共享过程的动态协调，可以创造重 要的“白色空间”，使得系统可以在不断改变的动态无线环境下有效提高频谱利用率。 2 2 认知无线电的应用 认知无线电作为一种新型智能技术具有广泛的应用范围，从动态频谱接入( d s a ) 到 普通的移动通信，目标市场包括政府部分，管理机构，军事和商业领域【4 5 。f c c 、n t i a 等都对认知无线电技术对当前管理方案造成的影响产生了浓厚兴趣，国际电信联盟i t u 也 正在研究与认知无线电类似的技术来提高频谱效用。当然认知无线电广阔的应用前景与技 术的复杂性并存。随频率的弹性捷变，与不同无线标准的合作和对干扰信号探测能力的提 高，保护当前通信，识别敌方信息和发现机会路径使认知无线电技术成为军事团体必备技 术之一。公共安全部门利用认知无线电技术获取附加的频谱分配，解决频谱拥塞的问题。 在紧急通信时，通过频谱分配技术维持优先呼叫和缩短响应时延。在商业领域，8 0 21 1 ， 8 0 21 6 和8 0 22 2 的杠杆作用可以帮助认知无线电技术直接获取商业利益。 22 1w r 州的目标市场 4 5 目前，建立在认知无线电技术基础上的无线区域网( w r a n ) 确定在无干扰的基础上 南京邮电大学硕士学位论文 第二章认知无线电的关键技术、应用及其标准化 利用那些未被使用的广播电视频段，为农村和偏远地区，以及人e 1 密度低，服务困难的地 方实现宽带无线接入，性能要和那些在城市和城郊地区使用的固定宽带接入技术相当。美 国农村人口众多而且宽带接入不方便，这就促使f c c 加速对现有网络技术难以覆盖地区提 供宽带接入的新技术的研究，同样这种情况在不发达的南美洲、非洲、亚洲也适用。 事实上，为农村和偏远地区提供宽带接入需要新的网络具有大的覆盖面，是f c c 选择 电视频段的主要原因，因为该频段有特别适合较远地区用户使用的传递特性。另外，如果 假设大多数家庭和商业用户都依赖光纤和卫星电视服务，那么美国许多地区大量的电视频 道都没有使用，造成了资源的空闲浪费。最后，至关重要的一点是，用于电视频段的8 0 2 2 2 设备不需要牌照，这将进一步降低成本，并提供一个可负担得起的服务。然而，这并不是 说8 0 2 2 2 的应用和市场仅限于农村和偏远地区。实际上还有许多其它w r a n 看重的市场目 标，包括个人家庭住户，多聚居单元，小型工作家庭场所s o h o ，小商业用户，多用途写 字楼，以及工作场所和校园。8 0 2 2 2 系统的定义使它可以用于一些其他环境中，如城市和 城郊。相信认知无线电技术也必将为现有的各种无线通信系统带来新的发展机遇。 2 2 2 基于8 0 2 2 2 的w r a n 系统 基于8 0 2 2 2 的w r a n 系统的目标在于提供类似于a d s l 和有线调制解调器差不多的 宽带接入服务，但是在低人口密度的乡村地区展开部署更经济。一个8 0 2 2 2 系统包含物理 层和媒体接入控制( m a c ) 层的实现，其中至少一个用户和基站通过点到多点的无线空中 接口通信。点到多点的无线电系统主要目标在于使用v h f u h f 广播电视频段。在美国 v h f u h f 广播电视频段，从2 到6 9 电视频道，一般一个电视频道占用了6 m h z 的带宽， 这样开放的频谱范围包括5 4 7 2 m h z ，7 6 8 8 m h z ，7 4 0 8 0 6 m h z 。除了被称作主要业务的电 视业务，f c c 允许其他的业务如无线微型电话在空闲的电视频段上进行通信，只要不相互 影响。8 0 2 2 2 的目标是制定一个能适用于不同国家实体的国际标准，由于电视业务未进行 全球统一信道化，推出的标准也必须适用于其它国家各种不同的电视信道带宽，如6 m h z ， 7 m h z ，和8 m h z 。 图2 3 显示了w r a n 系统部署结构示意图。8 0 2 2 2 系统必须包括一个基站和多个用户驻 地设备c p e ( c u s t o m e rp r e m i e re q u i p m e n t ) ，至少要有一个c p e 。基站必须是点到多点， 通过使用全向天线和一个成形扇区或者白适应天线阵列实现下行流信号发射到用户设备。 为了实现共存，8 0 2 2 2 必须包含相应的物理层和m a c 层控制机制，允许基站基于对授权用 户的频谱感知来动态改变网络的功率或者频率，以避免干扰。为了解决排列或重叠覆盖造 成的问题，实现更好的共享频谱，系统还必须包含各基站之间的协调机制。 南京邮电大学硕学位论文 第二章认知无缱电的关键技术、应用及其标准化 图23w r a n 部署结构示意图 2 3 认知无线电的标准化 随着认知无线电技术的发展，各标准化组织和行业联盟也纷纷开展了相关的研究并 且开始着手制定认知无线电的标准和协议。除了在体系架构中提到的各个研究小组，下面 主要从标准化的角度来介绍i t u 、软件无线电论坛( s o r w a r ed e f i n e dr a d i of o r u m ) 、世界无线 电论坛( w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m ) 和i e e e 相关工作的进展。 i t u ：关于认知无线电的研究工作目前仍隶属于i t u r8 a 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1 1 u _ r 于2 0 0 6 年3 月提出一 项新的建议，以可重配置无线电的方式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 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。 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，开发新的智能无线电设备从而提高频谱