（通信与信息系统专业论文）泛在无线网络认知无线电频谱管理技术研究.pdf

东南大学硕士学位论文 泛在无线网络认知无线电频谱管理技术研究 姓名：李景 专业：通信与信息系统 导师：徐平平教授 课题来源： 华为科技基金( y j c b 2 0 0 7 0 2 4 w l ) 东南大学移动通信国家重点实验室自由探索研究课题资助( 2 0 0 8 a 0 5 ) 东南大学移动通信国家重点实验室 2 0 1o 年3 月 1。一 东南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，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：强日 期：二剑亟毒l l 赴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：乏丞 导师签名： 摘要 摘要 无线频谱资源的紧缺限制了无线通信服务的持续发展，认知无线电( c o 鲷i t i v er a d i o s ， c r ) 技术被认为是解决这一问题的一种新方法。无线用户利用该技术可以智能地感知周围环 境，检测可用频谱资源，并进行动态的频谱接入，从而可以提高通信系统的容量和频谱利用 率，认知无线电技术被认为是无线移动通信领域的一件大事。 论文主要研究了泛在无线网络认知无线电频谱管理的关键技术，包括认知无线电频谱管 理架构、频谱检测、频谱分析、频谱共享以及频谱移动的关键技术，并针对频谱分配以及功 率控制技术进行了重点研究。 首先研究了基于图论着色模型的频谱分配算法。在颜色敏感图论着色( c o l o rs e n s i t i v e g r a i ) hc o l o n g ，c s g c ) 算法和现有最大化整体效益准则下的并行频谱分配算法研究的基础 上，提出了一种新的频谱分配算法一自适应切换频谱分配准则的并行频谱分配算法，并对 新算法进行了软件仿真和性能分析。自适应算法可以根据c r 网络内的空闲频谱资源和需要 服务的c r 用户数的动态变化，快速自适应地选取频谱分配准则，在保证公平性条件下可以 最大化系统收益，提高系统的整体性能。 其次研究了基于频谱特征的频谱分配算法。在最小代价匹配( c o s tm i n i m i z e dm a t c h i n g c m m ) 频谱分配算法研究的基础上，设计了一种基于频谱共享模型的q o s 保证的多级频谱 分配( m u l t i - s t e pa l l o c a t i o n ，m s a ) 的算法，并对新算法进行了软件仿真和性能分析。m s a 算法考察了空闲频带和c r 用户特征，c r 网络根据对这些特征的统计信息，找到空闲频带 和c r 用户之间的最佳匹配，在保证用户q o s 要求的同时可以有效降低频谱跳变次数。 最后研究了基于博弈论的分布式认知m i m o 系统频谱共享中的功率控制算法。在空时 功率调度( s p a c et i m ep o w e rs c h e d u l i n 舀s t p s ) 算法研究的基础上，提出一种基于链路质量 的非合作重复博弈的功率分配算法，并对新算法进行了软件仿真和性能分析。新算法根据链 路质量好坏，设计不同的价格函数，并设置惩罚机制防止贪婪用户的出现，从而可以降低干 扰，提高系统的整体容量。 【关键词】认知无线电，频谱管理，频谱分配，分配准则，多级分配，功率控制 a b s t r a c t t l l l es c a r c e n e s so fw i r e l e s ss p e c 仃1 j mh 锄p e r st h es 咖i na _ b l ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m 叽i c a t i o ns e r v i c e s ，c 0 9 n i t i v ei h d i o s ( c r ) t e c h n o l o 影i sar e 、，o l u t i o n a 拶t e c h n o l o 斟o 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 i l ，w 1 1 i c hi sc o n s i d e r e d 弱an o v e lm e t h o dt 0s o l v et h ep r o b l e mo f t h es h o r t a g eo fw i r e l e s ss p e c t l l 瑚s m a nu r sc a nu s ec rt e c h n o l o g yt 0s e n s em ee n v i r 0 啪e 他 s e a r c hf o ra v a i l a b l es p e c 嘶r e s o u r c e s 锄da c c e s ss p e c t r l 姗d y n 锄i c a l l y ，s ot h a tt i l ee 伍c i e n c yo f s p e c t m mi si m p r 0 v e d 锄dt h ec a p a c i 够o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi si n c r e 越e d ，锄dc r t e c h n o l o g yw 孙c o n s i d e r e d 硒am 萄o ri s s u ei nw i r e l e s sc o m m 岫i c a t i o nd o m a i n i nt h et h e s i s ，t h es p e c t n i r nm 卸a g e m e n tk e yt e c h n i q u e s0 fc o 印i t i v er a d i o si nu b i q u i t o u s w i r e l e s sn 咖f i ( sa r es n j d i e d t h a tc o n t a i n st h e 胁e w o r ko fs p e c t m mm 锄a g e m e n t ，s p e c 协肺 s e n s i n 舀s p e 咖md e c i s i o l l ，s p e c 仃u ms h 撕n g 柚ds p e c t m mm o b i l 时t e c h n i q u e s ，锄d f 惦 r e s e a r c ho nt 1 1 ed ”锄i cs p e c 咖a l l o c a t i o n 锄dp o w e rs c h e d u l i n gt e c h n i q u e s f i r 瓯an e ws p e c t l l j ma l l o c a t i o na l g o r i t b 雒e do ng r a p hc o l o r i n gt h e o 巧h 笛b e e nd e s i g n e d b a s e do nr e s e a r c h i n gc s g ca l g o r i t l l i na n dt h ee 妇s t i n gp 孤a l l e ls p e c t r 啪a l l o c a t i o na l g o r i t h i i l 帅d e rt l l em a x - s u m b e n e f i t1 1 j l e ，ap a r a l l e la l g o r i t h mf o ra d a p 啊v es w i t c ha l l o c a t i o nr u l 鹤 s p e c t r i j ma 1 1 0 c a t i o no fc o g n i t i v em d i o si sp r o p o s e d ，锄dt 1 1 ep e r f b 珊锄c e so ft h en e wa l g o r i t i l m a r es i m u l a t e d 锄da i l a l y z e d p r o p s e da l i 弘r i m mc o u l da d a p t i v es w i t c ha l l o c a t i o nr u l e sa c o r d i n gt 0 c rn e t w o f k ss p e c 仃i j mr e s o u r c e 锄dc ru s e rn u m b e r s ，锄dc o u l dg e tb 甜e rs y s t e mc a p a c i t yw h i l e 酊l a r 锄t e e i n g 眦r s f 越m e s s ，s ot h a tc 锄e 1 1 l l a i l c et h eo v e r a l ls y s t e mp e r f o m 锄c e s e c o n d ，an e ws p e c t r l l ma l l o c a t i o na l g o r i m mb 弱e do ns p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i ch 鹤b e e n p r o p o s e d an e wm u l t i - s t e ps p e c t r i 肺a l l o c a t i o na l g o r i t l l i i li sp r o p o s e db 鹊e do nt l l ec o s t m i n i m i z e dm a t c h i n ga l g o r i m m ，锄dm ep e m m a l l c e s0 ft 1 1 en e wa 1 9 0 r i m ma r es i m u l a t e d 柚d 锄a l y z e d n e wa l g o r i t c o u l dm a t c hs p e c t r l l m s 锄du r sb 舔e d0 ns p e c 仃u mc h a r a c t e r i s t i c s 锄d u s e r s s e r v i c ei n f o m a t i o n s ot h a ti tc 柚d e c r e 弱es p e c t 九肺h 锄d o f rw h 订eg u a r a n t e e i n gu s e r s q o s r e q u i r e t h i r d ，an e wp o w e ra j l o c a t i o na l g o r i t h n lo fc o g n i t i v en e t w o r kh a sb e e nd e s i g n e d an e w n 0 n c o l l a b o r a t i v ep o w e rs c h e d u l eb a s e d0 ng 锄et h e o 拶a l g o r i t h mt h a tr e f e rt 0l i n kq u a l i 妙i s e x p l o i t e da r e r 锄a l y z i n gt h ee ) 【i s t i n gs p a c et i m ep o w e rs c h e d u l i n go fd i s t r i b u t e dc r m i m o n 印v o r i ( s ，锄dt h ep e 0 咖a n c es i m u l a t i o n 觚d 锄a l y s i sa 化西v e n n e wa l g o r i t h i l ld e s i g 潞 d i 仃e r e n c e 叫c ev a l u e sa c c o r d i n gt 0l i n l c j s q 眦l i t ) ，；锄ds e t t i n g sp u n i s h m e mm e c h 锄i s ma v o i d i n g t h eg r e e d yu s e r s ot h a ti tc 锄d e c r e 雒ei n t e r f i e r e n c eo fe ho t h e ra n di m p r o v es y s t e mc 印a c i 够 【k e y w o r d s 】c o 印i t i v er a d i o s ，s p e c t m mm 锄a g e m e n t ，s p e c n u ma l l o c a t i o n ，a 1 1 0 c a t i o nr u l e ， m u l t i s t e pa l l o c a t i o n ，p o w e rc o n 仃o l i i l 目录 摘要 目录 i i i ia b s t r a c t 目录 图目录 表目录 v i i i 第l 章绪论 l 1 1 弓i 言1 1 2 研究背景l 1 3 认知无线电2 1 3 1 认知无线电基本概念。2 1 3 2 认知无线电认知循环3 1 3 3 认知无线电的应用4 1 4 认知无线电的关键技术5 1 4 2 物理层关键技术5 1 4 3 介质访问控制层关键技术5 1 4 4 网络层关键技术7 1 5 认知无线电的研究现状7 1 6 本论文的结构及主要研究内容9 第2 章认知无线电频谱管理的关键技术1 l 2 1 引言1 l 2 2 认知无线电频谱管理模型1 l 2 3 认知无线电频谱检测l2 2 3 1 基于干扰温度的检测。1 3 2 3 2 基于授权用户发射端的检测l3 2 3 3 基于授权用户接收端的检测。1 4 2 3 4 频谱检测面临的问题。1 4 2 4 认知无线电频谱分析14 2 4 1 空闲信道特征分析。1 4 2 4 2 空闲信道使用决策。1 5 2 5 认知无线电频谱共享1 6 2 5 1 基于图论的频谱分配算法1 6 2 5 2 基于频谱特征的分配算法。1 7 2 5 3 其它频谱分配模型l8 2 6 认知无线电频谱移动18 2 7 本章小结1 9 第3 章基于图论着色模型的频谱分配算法2 l 3 1 引言21 3 2 网络结构与场景描述2 l 3 2 1 认知网络拓扑结构2 l 3 2 2 场景描述与假设。2 2 3 3 现有基于图论着色模型的分配算法一2 3 3 3 1c s g c 算法一2 3 3 3 2 并行算法。2 5 v 东南大学硕士学位论文 3 3 3c s g c 算法与并行算法性能分析2 6 3 4 自适应切换频谱分配准则的算法2 7 3 4 1 算法提出的背景2 7 3 4 2 分配目标设计一2 7 3 4 3 分配准则选择2 8 3 4 4 算法设计原理2 9 3 5 算法仿真与性能分析3l 3 5 1 仿真参数设置3 1 3 5 2 仿真结果分析3 2 3 6 本章小结3 6 第4 章基于空闲频带特征的频谱分配算法3 7 4 1 引言3 7 4 2 最小代价匹配( c m m ) 频谱分配算法3 7 4 3q o s 保证的多级频谱分配算法。3 9 4 3 1 算法提出的背景3 9 4 3 2m s a 算法应用场景描述。3 9 4 3 3m s a 算法分配目标设计4 0 4 3 4m s a 算法设计原理一4 1 4 4 算法仿真与性能分析4 2 4 4 1 仿真参数设置4 2 4 4 2 仿真结果分析4 3 4 5 本章小结。4 5 第5 章基于博弈论的认知网络功率控制算法4 7 5 1 引言4 7 5 2 现有功率控制算法分析4 7 5 2 1 分布式认知网络功率控制模型。4 7 5 2 2 空时功率调度( s t p s ) 算法4 9 5 3 基丁二链路质量的非合作重复博弈功率分配算法5 0 5 3 1 算法提出的背景。5 0 5 3 2 多用户功率分配的博弈分析。5 0 5 3 3 多用户功率分配博弈的纳什均衡。5 l 5 3 4 基于链路质量的非合作重复博弈功率分配算法原理5 2 5 4 算法仿真与性能分析5 4 5 4 1 仿真参数设置一5 4 5 4 2 仿真结果分析5 4 5 5 本章小结5 6 第6 章总结和展望5 7 6 1 论文已完成的内容5 7 6 2 需进一步完成的工作5 8 致谢 参考文献 攻读硕士学位期间的研究成果 v l 5 9 6 l 6 5 图目录 图目录 图1 1 各频段频谱使用情况。2 图l - 2j m i t o l a 提出的认知循环3 图1 3s h a y k i n 提出的认知循环4 图2 1 认知无线电频谱管理流程1 2 图2 2 认知无线电频谱管理通信协议结构：1 2 图2 3 干扰温度频谱共享模型1 3 图2 4c r 网络频谱共享与预留机制模型15 图2 5g s g c 算法的原理图1 6 图2 - 6 并行算法原理图17 图2 7c m m 算法分配模型。18 图3 1 认知无线电网络模型2 2 图3 2c s g c 算法流程图2 4 图3 3 并行频谱分配算法流程图2 5 图3 4c s g c 算法不同分配准则下的收益。2 6 图3 5c s g c 算法不同分配准则下的公平性。2 6 图3 6 标准差与j a i n 公平性指数关系2 8 图3 7 自适应切换频谱分配准则算法流程图31 图3 8 不同分配算法时间开销比较3 2 图3 9 系统整体性能比较3 3 图3 1 0 系统总带宽收益性能比较。3 4 图3 1 1 认知用户接入公平性比较3 5 图4 1m s a 算法信道分配模型4 l 图4 2m s a 算法流程4 2 图4 3 不同分配算法性能比较4 4 图4 4m s a 算法不同分配级别性能比较4 5 图5 1 分布式认知m l m o 网络结构4 8 图5 2 基于链路质量的非合作重复博弈功率分配算法流程5 3 图5 3 分布式认知网络拓扑5 4 图5 4 不同干噪比条件下获得的系统容量比较5 5 图5 5 不同数餐链路对下获得的系统容量比较5 5 图5 6 新算法的惩罚机制5 6 v i i 表目录 表目录 表3 1 标准差与j a i n 公平性指数关系。2 8 表3 2 自适应算法仿真参数设置3 2 表4 1c m m 算法原理3 8 表4 2m s a 算法仿真参数设置4 3 表5 1 功率控制算法仿真参数设置5 4 v h l 第l 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 随着信息时代的不断发展，人们需求的各种无线通信业务日增加，支持各种无线业务的 通信系统层出不穷、日新月异，无线频谱成为越来越紧缺的资源。虽然已存的各种通信系统 都在使用新技术提高其自身的频谱利用率，但有限的频谱资源也越来越不能满足日益增长的 用户需求。现有静态授权的频谱管理与分配策略是造成频谱资源紧缺的重要原因之一 j 【2 j 【3 j 【4 j ，从时域和空域的角度观察发现，静态授权分配的频段存在许多未被充分利用的“频 谱空洞”p 儿6 j 1 7 】，这与频谱资源日益短缺的问题互相矛盾。因此需要新的频谱分配方案、使 用策略、应用技术更好的分配和使用有限的频谱资源，认知无线电技术( c o 印i t i v er a d i o ， c r ) 应运而生州。 c r 技术可以实现认知用户( c o 印i t i v eu s e r ) ，也即次级用户( s e c o n d a 巧u s e r ，s u ) 在 空闲频段( v | a c a n ts p e c t m m ) 上进行通信，空闲频段主要包括非授权频段( u n l i c e n s e db 锄d s ) 和授权频段( l i c e t l s e db 勰d s ) 。在授权频段上进行通信就要求s u 要具有认知能力，可以对 其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，以使用授权用户 ( p r i m a d ru s e r ，p u ) 的空闲频谱信道资源进行通信，从而提高频谱的使用效率例。c r 技术 的出现，为解决频谱资源短缺，实现频谱动态管理以及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 本章将介绍认知无线电的研究背景，认知无线电的相关概念，认知无线电的关键技术， 认知无线电的研究现状等，最后介绍了本文的主要研究工作。 1 2 研究背景 随着信息技术的不断发展，无线通信在国家社会发展中发挥着越来越重要的作用，无线 服务( 如移动通信、公共安全、电视广播等) 的需求日益增加，有限的频谱资源的使用显得 日益紧张。 目前无线频谱的使用是由国家政府统一管理、授权使用的，存在主要问题有： 1 ) 频谱资源的短缺与浪费 无线服务的需求，如移动通信、公共安全、电视广播等对无线频谱资源的需求日益增加。 有限而宝贵的无线频谱由国家统一分配、授权使用的方式越来越无法满足日益增加频谱需 求。一般情况下，一个授权频段仅供一个无线通信系统独立使用，不同的无线通信系统使用 不同的频段，互不干扰。以美国为例，8 2 4 8 4 9 m h z ，1 8 5 1 9 1 g h z ，1 9 3 1 9 9 g h z 频段分 配给了授权的蜂窝和p c s ( p e r s o n a lc o r 姗u n i c a t i o n ss e i c e ) 服务；9 0 2 9 2 8 m h z ， 2 4 0 2 5 0 g h z ，5 1 5 5 3 5 g h z ，5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 频段被分配给了非授权的服务【。实际应用 中会造成频谱资源的浪费，使得频谱资源利用率比较低。美国联邦通讯委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 的测试表明，目前大多数频段的频谱资源利用率是很低 的，在美国城市区域中，如图l - 1 所示，3 - 4 g h z 的频谱利用率为0 5 ，4 5 g h z 的频谱利 用率降为0 3 附1 1 j 。在频谱资源紧张与短缺的情况下，授权使用的频段使用效率却很低，这 样就造成了无线频谱资源的短缺与浪费共存的局面。 东南大学硕士学位论文 置 暑 f r e q u e n y ( h z ) x1 矿 图1 1 各频段频谱使用情况 2 ) 异构网络多标准共存问题 现有多种无线通信体制与标准共存，各种无线网络难以主动感知无线频谱环境、自适应 调整配置网络资源与系统参数，难以实现相互的协调工作，会造成所谓的干扰污染问题。 3 ) 泛在接入与服务 泛在通信是未来通信的发展方向，泛在化对现有通信网络资源的分配与管理，网路的运 营与管理，网络通信设备都是巨大的挑战，要逐步解决这个问题就需要新的技术来支持。 4 ) 频谱管理问题 现有的频谱分配方案是静态模式，网络管理以人工为主，无法达到适应频谱环境变化的 自适应管理，也无法实现网络资源效能的自优化，与泛在化和异构化通信目标要求不适应。 造成以上问题的主要原因是静态的频谱使用策略，现有通信设备无法动态协作地使用频 谱资源。认知无线电( c o 朗i t i v er a d i o ，c r ) 技术被认为是解决这些问题的有效方案之一。 与传统无线通信终端相比，认知无线终端即次级用户( s e c o n d a 巧u s e r s u ) 具有感知功能， 可以感知周围的频谱环境，检测到可以使用的频谱空洞，在不影响授权用户即主用户 ( p r i m a 叫u s e r ，p u ) 正常通信的前提下，可以在特定时间内、特定地理位置上利用p u 的空 闲频段进行可靠的通信，从而可以极大地提高频谱利用率，可以促进现有通信网络的融合， 推动未来通信向泛在化方向的发展。 1 3 认知无线电 1 3 1 认知无线电基本概念 1 9 9 9 年，瑞典皇家技术学院的j m i t o l a 博士在软件无线电的基础上提出了认知无线电 的概念l 引。此后，不同的机构和学者从不同的角度给出了c r 的定义，其中比较有代表性的 包括f c c 和著名学者s i m o nh a y “n 教授的定义【9 j of c c 认为c r 是能够基于对其工作环境 的信息交互从而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 c r 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) ，从而实现任何时间、 地点的高可靠度通信。 从c r 的各种不同定义中，我们可以看到c r 技术要求无线认知终端必须具备认知能力， 能够通过对周围频谱环境的状况进行检测、分析、学习、推理和规划，智能地调整自己的传 2 第l 章绪论 输参数( 包括频率、发射功率等) 进行通信，从而可以极大地提高频谱的使用效率。 与认知无线电概念相关的术语主要包括： 1 ) 频谱分类： a 授权频段叫c e 邶e db 锄d s ) ：政府授权给通信运营商、相关组织机构使用的频段。 b 非授权频段( u i l l i c e 舾e db 锄d s ) ：用户可以免费使用的频段，比如i s m 频段。 2 ) 空闲频谱( a n ts p e c t r l 吼) ：是在频率、时间、或空间上暂时空闲的频段。空闲频谱 包括非授权频段和授权用户暂时不使用的授权频段。 3 ) 用户分类： a 基本用户( p u ) ：有偿使用授权频段的注册用户。 b 次级用户( s u ) ：即认知用户，可以使用智能无线设备在空闲频谱通信的用户。 4 ) 认知无线电网络： a 基本网络( p r i m a 巧n e 似o r k ) ：使用授权频段进行通信的网络。现有的通信网络比 如蜂窝通信系统基本上都可称为基本网络。基本网络由基本用户和基本用户基站组成。 b 认知无线电网络( c o g n i t i v er a d i on e 帆o r k ) ：又称次级网络、动态频谱接入网络等， 可以使用空闲频谱进行通信的网络。由认知用户和认知基站组成，次级网络可以是集中 式，也可以配置成分布式网络。 1 3 2 认知无线电认知循环 认知无线设备的一个重要特征就是可以和外界射频环境实时交互，检测空闲频谱，并决 定频谱的使用。认知无线设备与外部环境的交互沟通以及采取的一系列动作构成了“认知循 环( c o 印i t i v ec y c l e ) ”。典型的认知循环定义有下面两种： 1 ) j m i t o l a 博士提出的认知循环【1 1 j ，如图1 2 所示。认知循环的步骤如下： 认知设备首先对“射频环境”进行持续“观察”，通过分析外部射频激励提取相关信息， 主要包括：感知频谱、感知位置、感知网络等。获得这些信息以后面向自己进行“定向”选 择，确定优先级：“一般”优先级进入“计划”阶段，产生和评估执行方案，并可以继续循 环学习进入新状态，通过“观察”、“定向”回到“计划”状态重新评估方案，然后进入“决 策”阶段：“紧急”优先级直接进入“决策”阶段，“决策”阶段同样也可以进入循环重新进 行全局的资源配置，最后进入“执行”阶段；“立即”优先级不进行继续“学习”直接进入 “执行”阶段。进入“执行”阶段后，在射频环境中发送消息，执行通信，完成循环。 定向 发送消息 图l - 2j m i t o l a 提出的认知循环 3 源 东南大学硕士学位论文 2 ) s h a y k i n 将图1 2 定义的认知循环进行了简化【们，如图1 3 所示，省略了对射频环境 循环学习的步骤，从而使得执行更高效，有利于实际应用。认知循环的步骤如下： a 频谱感知：检测射频环境空闲频谱信息； b 频谱分析：评估空闲频谱特征，包括带宽和空闲时间预测； c 频谱决策：根据空闲频谱特征和用户需求选择合适的空闲频段进行通信，并根据频 谱环境的变化动态地调整传输参数。 1 3 3 认知无线电的应用 图1 3s h a y k i n 提出的认知循环 认知无线电有着很广泛的应用。 1 ) 商业 认知无线电的概念虽然新颖，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。典型的例 子有1 2 】：工作于4 5m h z 左右的无绳电话系统，采用一种信道自动选择机制避免使用已占用 的信道：非授权的个人通信业务p c s 设备，在传输数据之前预先侦听频谱的占用情况以避 免对其他非授权设备造成干扰；i e e e8 0 2 1 l a 网络采用动态频率选择( d y n 姗i cf r e q u e n c y s e l e c t i o n ，d f s ) 和发送功率控制( t r a n s m i tp o w e rc o n 仃0 l ，t p c ) 机制，避免与雷达信号相 互干扰。 2 ) 公共安全 当紧急事件发生时，分配给公共安全使用的频谱通常会很快被突发的各种通信阻塞，并 且各个应急部门之间由于所拥有的频谱不同很难互相进行通信。有了认知无线电技术后，当 紧急事件发生时就可以利用空闲频谱维持通信，不会因为负载过大而阻塞，而且还可以实现 不同应急部门之间的通倒1 3 l 。 3 ) 军事 这种认知无线电不需要如商用系统中的基础设施就可以和其它设备进行通信，能够根据 环境变化自我调整参数以保证通信质量，能够和不同无线电标准的设备进行通信，能够检测 出敌方的传输等。美国国防部最近几年已经投入了大量人力物力进行这方面的研究，如： s p e a k e 弱yr a d i os y s t e m ，j o i n tt k t i c a lr a d i os y s t e m ( j t r s ) ，n e x tg e n e r a t i o n ( x g ) 1 4 1 【1 5 1 等项 目。 4 第l 章绪论 1 4 认知无线电的关键技术 认知无线电是一种智能的通信方式，需要特定的网络通信架构和协议支持这种通信模 式，虽然认知无线电的学习和推理能力可以通过软件无线电在高层实现，但还需要特殊无线 架构下的物理层和链路层以及网络层的支持。本章将简要阐述认知无线电系统的物理层，介 质访问控制层和网络层的关键技术。 1 4 2 物理层关键技术 因为认知用户比授权用户具有更低的频谱接入优先权，为了利用授权用户的频谱空洞进 行通信，同时又不对其造成有害干扰，就要认知用户具有空闲频谱的检测能力。除此之外， 认知用户在利用空闲频带通信之前还要完成信道的估计、功率控制、确定发射参数等，因此 认知无线电物理层的关键技术包括以下方面。 1 ) 空闲频谱检测 物理层的空闲频谱的检测主要包括对频谱资源空间、频率、带宽、空闲时间等因素的检 测和评估。就闲频谱的检测形式上来说，有单用户检测以及多用户联合检测。相比而言，多 用户联合检测由于融合了多个认知用户的检测信息，更能体现频谱空洞的真实情况，可以提 高检测的准确率，避免“隐藏终端”的问题。就空闲频谱检测的方法而言，主要包括：匹配 滤波法、能量检测法、循环功率谱特征检测法。 2 ) 信道估计 认知终端在检测出空闲频谱以后，获知可使用频段的时域与频域特征。需要确定数据信 道的通信质量，为此需要进行信道的估计，选择合适的频段和信道进行通信。认知终端可以 采用传统的信道估计方法进行信道估计。 3 ) 功率控制 认知网络的一个重要特征就是限制c r 用户对授权用户的功率干扰，以及c r 用户之间的 同频干扰，因此功率控制技术是分布式认知无线网络需要研究的关键技术之一。根据认知用 户间的协作关系，可以把功率控制分为协作式和非协作式功率控制，一般的功率控制是一个 非线性优化问题，可以采用迭代注水或博弈的算法实现多用户的功率控制。 4 ) 发射参数设置 认知终端完成频谱检测与信道估计以后，就需要根据选用的空闲信道特征选择合理的发 射参数进行通信。发射参数主要有通信方式、编解码方式、调制方式等的选择。 从上述认知无线电物理层关键技术可知，认知终端与射频环境的交互要完成从空闲频谱 检测到信道估计、功率控制，再到射频发射等一系列过程。要求认知设备除具有一般无线通 信设备功能之外，还要有空闲频带检测、自适应调制编码等功能，并且认知设备要具有很宽 的频带使用范围和收发天线的线性范围，实际中也可以进行人工的规划，以减少对认知设备 的特殊要求。 1 4 3 介质访问控制层关键技术 为实现c r 用户利用空闲频谱的同时避免对授权用户造成有害干扰，要求c r 网络的媒体 接入控制( m a c ) 层不仅能够提供传统的服务，如媒体接入控制和数据传输等，还要能支 持c r 的特殊功能，即在不干扰授权用户的条件下有效地实现择机频谱利用。这些新的功能 体现在m a c 层的动态频谱检测管理、信道接入控制、动态频谱分配等各个方面【1 6 】。 5 东南大学硕士学位论文 1 ) 动态频谱检测管理 动态频谱管理的主要内容是控制物理层空闲频谱检测的执行，包括决定采用何种检测模 式、选择何种检测算法、检测哪些频段信道等。目前m a c 层频谱检测管理的研究主要关注 检测策略和检测参数的选取及优化，包括检测模式的选取、检测周期及检测时长的设置、检 测信道的选取和检测静默期的设置等。通过检测频谱的带宽、工作频率、工作信道、预测空 闲时间等方面的频谱特征，c r 用户可以根据自己当前业务的服务质量( q u a l i 锣o f s e i c e ， q o s ) 需求和系统优化目标要求，在所有的可用信道中选择合适的信道进行通信。 根据c r 用户检测时机的不同，检测模式可分为周期检测和按需检测，检测时长的设置 会影响到检测的速度和检测质量，一般情况下可以折衷取舍。检测信道的选取主要包括选取 最有可能空闲的信道进行检测i l7 1 、优化信道检测顺序等。为了在检测授权用户空闲信道时 不对c r 网络内其他用户的通信造成干扰，在认知用户检测时要设置一个静默期，静默期的 设置可以分为两种：同步静默期和异步静默期i l 引。 2 ) 信道接入控制 m a c 层信道接入控制的主要功能是决定c r 用户是否可以接入和采用何种方式接入信 道，是实现信道分配之前要解决的问题。在授权用户存在的c r 网络中，p u 有绝对的频带 信道接入优先权，而c r 用户是一种择机的或共享的频谱接入使用机制。因此c r 网络m a c 层信道接入机制要解决c r 用户与授权用户信道共享的问题：授权用户未使用信道时，c r 用户可以选择接入；当授权用户出现时，c r 用户采取退避措施。 在c r 用户与授权用户的共享信道组成一个频谱共享池的策略下，根据授权用户接入频 谱共享池时是否考虑c r 用户的存在，可以将c r 用户的接入控制分为与授权用户协调接入和 透明接入两种类型。 在与授权用户协调接入方式下，授权用户考虑信道上是否存在c r 用户，自动选取频谱 池中的空闲信道接入。如果频谱池中存在空闲信道，授权用户接入空闲信道，已接入的c r 用户就可以继续占用信道，否则c r 用户就会因为授权用户的接入被强制中断。 授权用户透明接入方式下，授权用户的接入不考虑c r 用户是否接入了信道，直接授权 占有信道。这样就要求c r 用户的频谱接入机制要更加灵活，一般可以采用信道预留机制或 信道预测机制进行信道接入【1 9 l 【2 0 l 。信道预留机制有授权用户信道预留和c r 用户预留两种方 法，到授权用户出现时可以在预留信道上通信，也可以是c r 用户跳到预留信道上通信；信 道预测机制可以根据授权用户的使用历史习惯预测空闲信道的空闲时间，根据这一属性设计 c r 用户信道接入和分配机制，可以有效降低信道