（信号与信息处理专业论文）认知无线电动态频谱接入关键技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 近几年，无线通信领域中各种语音、图像、视频等数字化业务大量增长，一 方面导致数据传输速率越来越高，对传输带宽的要求越来越高；另一方面导致有 限的无线频谱资源变得日益紧张，成为将来制约无线通信发展的瓶颈。然而，研 究发现，已经授权给现有多种无线电业务的频谱在时间和空间上存在不同程度的 闲置，即存在频谱空穴( s p e c t r u mh o l e ) ，或称为空闲频谱，造成了频谱资源的 严重浪费。认知无线电( c r ，c o g n i t i v er a d i o ) 技术即是人们用来改变现有频谱短 缺局面的一项关键技术。 认知无线电是在软件无线电( s d r ，s o f td e f i n e dr a d i o ) 基础上发展而来的 一种新型的智能无线通信技术，它通过感知外界的环境特征，自动调整设备的发 射和接收参数，使内部状态适应周围环境的变化。认知无线电技术的研究目标是 提高频谱利用率及系统容量，保证更优良的通信服务质量，这也是下一代无线通 信网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 亟待解决的问题。动态频谱接入( d s a ，d y n a m i c s p e c t r u ma c e e s s ) 技术是认知无线电的关键技术之一，它通过c r 的感知功能来 探测到空闲频谱，并通过c r 自适应功能及时利用该频谱，从而大大提高了频谱 利用率。动态频谱接入技术的研究重点是：在授权频段或不授权频段，通过利用 信道分配、功率控制、干扰避免和机会调度等方法，寻找某种频谱接入策略或算 法来合理利用空闲频谱，达到以下一个或多个目标：( 1 ) 提高频谱利用率( 2 ) 避免干扰( 3 ) 体现公平性( 4 ) 通信开销小( 5 ) 算法简单。专家预言，c r 的动 态频谱接入技术在下一代无线通信网络中将有非常广阔的应用前景。 本文主要包含以下内容： 第一，研究了认知无线电与动态频谱接入的要点和技术。详细论述了动态频 谱接入技术的基本概念，动态频谱接入技术中的难点，介绍了该领域国内外研究 现状。 第二，利用最优化理论和图论中的着色理论( c o l o u r i n gt h e o r y ) 研究了动 态频谱接入问题，介绍了协作着色法、本地协商着色法、基于规则着色法的频谱 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 分配策略；分析了两种实际通信环境下的动态频谱接入问题，即次用户为无线接 入点和次用户为传输链路；分析了两种情况下的频谱利用率，通过对原算法的改 进，避免了对主用户干扰，保证了公平性，还改善了频谱利用率，并通过理论分 析和实验仿真证实了改进算法的优越性。 第三，通过马尔可夫链模型研究了动态频谱接入过程，重点研究了一维、二 维、三维马尔可夫链在解决此类问题的应用。分析了主、次用户系统带宽相同与 不同，等级式接入与共享式接入，预留信道与不预留信道情况下的动态频谱接入 问题，并根据实际应用，详细讨论了开放频谱和主、次用户共存情况下的接入问 题，通过对系统公平性、频谱利用率、掉线率、阻塞率的性能分析，提出了改进 策略。 关键词：认知无线电动态频谱接入最优化图论马尔可夫链 i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fb u s i n e s si nf i e l do fw i r e l e s ss p e e c h ，i m a g e s ，v i d e o c o m m u n i c a t i o n s ，o nt h eo n eh a n d ，i td e m a n d sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o s u p p o r th i g h e rd a t ar a t e s ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tl e a d st h ew i r e l e s ss p e c t r u mr e s o u r c e s b e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys c a r c ea n di tm a yc o n s t r a i n t t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si nt h ef u t u r e a t t h es a m et i m e ，t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o n ，f c c ( 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 ) f o u n dt h a tm a n ys p e c t r u m s a l l o c a t e dt o e x i s t i n gw i r e l e s ss y s t e m sa r es h o w i n gd i f f e r e n td e g r e eo fi d l ei nt e r m so ft i m ea n d s p a c ef i e l d t h e r e f o r e ，c r ( c o g n i t i v er a d i o ) i san e wt e c h n o l o g yt oe f f e c t i v e l y c h a n g et h ec u r r e n ts p e c t r u ms h o r t a g es i t u a t i o n c ri san e ws m a r tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yd e v e l o p e do ns d r ( s o f t d e f i n e dr a d i o ) ，w h i c hc a ns e n s et h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ， a n da u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h e i rt r a n s m i ta n dr e c e i v ee q u i p m e n tp a r a m e t e r s c ri sa l ( i n do ft e c h n o l o g yw i t ht h em a i no b j e c t i v eo fi m p r o v i n gs p e c t r u mu t i l i z a t i o n ， i n c r e a s i n gs y s t e mc a p a c i t ya n de n s u r i n g b e t t e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo fs e r v i c e ，m e y a r ea l s ot h ep r o b l e m so fn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h ed s a ( d y n a m i cs p e c t r u ma c e e s s ) t e c h n o l o g yi s t h ec o r et e c h n o l o g yu s e dt os o l v et h e p r o b l e m sa b o v e i tc a l lc h a n g et h et r a d i t i o n a ls t a t i cs p e c t r u mu s a g ew a y , a n d m a k ef u l l u s eo fc o g n i t i v er a d i os p e c t r u ms e n s i n g a d j u s t m e n ta d v a n t a g e s ，m a k i n gf u l lu s eo f t h ei d l es p e c t r u mi ns p a c eo rt i m e ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no ft h es p e c t r u m r e s o u r c e t h i sr e s e a r c hf o c u s e so nd i f f e r e n tr a d i os y s t e ma n dt h ec o e x i s t e n c eo f d i f f e r e n tu s e r sc i r c u m s t a n c e s ，c o m b i n i n gc h a n n e la l l o c a t i o n ，p o w e rc o n t r o l ， o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g ，i n t e r f e r e n c ea v o i d e n c e ，s t u d y i n go nd i f f e r e n t a l l o c a t i o n a l g o r i t h m so rs t r a t e g i e sf o rr a t i o n a la c c e s st ot h es p e c t r u mi no r d e rt o ：( 1 ) i m p r o v e s p e c t r u mu t i l i z a t i o n ( 2 ) a v o i di n t e r f e r e n c e ( 3 ) r e a l i z ef a i m e s s ( 4 ) d e c r e a s e c o m m u n i c a t i o no v e r h e a d ( 5 ) as i m p l ea l g o r i t h m d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s t e c h n o l o g yw i l lh a v eav e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h en e x tg e n e r a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rm a i n l yc o n t a i n st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s t ，w ee x a m i n et h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g ya n dk e yd y n a m i cs p e c t r u m a c c e s st e c h n o l o g ya sw e l la st h es t a t u so fd e v e l o p m e n t i n d e p t hs t u d yo ft h ed y n a m i c i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 s p e c t r u ma c c e s st e c h n o l o g y , w ef o c u so nt h ed y n a m i cs p e c t r u ma c c e s ss t r a t e g ym o d e l ， t h ea n a l y t i cw a y ，t h ed i f f i c u l t si na c h i e v i n gd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s st e c h n o l o g y , s h o wt h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d s e c o n d ，w i t ht h eh e l po ft h eo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dc o l o u r i n gt h e o r y , t h e d i s c u s s i o nf o c u s e do nc o l l a b o r a t i v ec o l o r i n g ，l o c a lb a r g a i n , r u l e - b a s e ds t r a t e g yw i m t h r e es p e c i f i cc o l o r i n ga l g o r i t h m ；b yu s i n gc o l o r i n gt h e o r y , w ed i s c u s st w oo s a p r o b l e m si n a c t u a lc i r c u m s t a n c e s ：s e c o n d a r yu s e r sa r ew i r e l e s sa c c e s sp o i n t sa n d s e c o n d a r yu s e r sa r et r a n s m i s s i o nl i n k s w ew i l lh a v et w os e p a r a t ed e f i n i t i o n so f u t i l i z a t i o nw i mn e wa l g o r i t h mb a s e do no r i g i n a l a l g o r i t h m i td o e s n o t o n l y a c c o m p l i s ha v o i di n t e r f e r e n c e ，g u a r a n t e et h ef a i m e s s ，b u ta l s oi m p r o v ee f f i c i e n c y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h ea l g o r i t h m sa d v a n t a g e t h i r d ，b a s e do nt h em a r k o vm o d e l ，d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s st h e o r e t i c a lr e s e a r c h p r o c e s sa r ef o c u s e do nt h eo n e d i m e n s i o n a l ，t w o - d i m e n s i o n a l ，t h r e e - d i m e n s i o n a l m a r k o vc h a i nm o d e l w ed i s c u s st h es p e c i f i cs i t u a t i o no ft h ep u s ( p r i m a r yu s e r s ) a n d s u s ( s e c o n d a r yu s e r s ) c o e x i s t e n c e ，w h e t h e rt h ep u s h a v et h es a m es y s t e mb a n d w i d t h w i t ht h es u s ，w h e t h e rt h es y s t e ma l l o ws w i t c h i n go rc h a n n e lr e s e r v e d ，w es t u d ya n d c o m p a r et h et h r o u g h p u to fd i f f e r e n tc o n d i t i o n s k e y w 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 c c e s s ，o p t i m i z a t i o n ，c o l o u r i n g ， g r a p ht h e o r y , m a r k o vc h a i n ， i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 c d m a c r d s a d y s p a n f c c f d 【a h m m i t i p l o m a c m c 缩略语 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s 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 c c e s s d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sn e t w o r k 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 f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s h i d d e nm a r k o vm o d e l s i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e m u l f i p l ea c c e s s i n t e m e tp r o t o c o l l o c a l0 s c i l l a t o r m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m a r k o vc h a i n m c p am a r k o v - b a s e d m fm a t c h e df i l t e r m 蹦o o f d m o f d m a p u q o s r a n d r f r k r l m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s 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 n d o m r a d i of r e q u e n c y r a d i o k 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 v 码分多址 认知无线电 动态频谱接入 动态频谱接入网络 美国联邦通信委员会 频分多址 隐马尔科夫模型 干扰温度 多址接入 互联网协议 本地振荡器 媒质接入控制 马尔科夫链 基于马尔科夫链的 匹配滤波器 多输入多输出 正交频分复用技术 正交频分多址接入 主用户 服务质量 随机策略 射频 无线电知识描述语言 缩略语 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 s u s d 限 s n r t c p t d m a u d p u w r b a n 俸删 、张a n s e c o n d a r yu s e r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l u l t r aw i d e b a n d w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na 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 v 1 次用户 信号干扰噪声比 信号噪声比 传输控制协议 时分多址 用户数据报协议 超宽带无线技术 无线局域网 无线城域网 无线区域网 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：徐姗 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。 研究生始猛纽导师始趣丝魄迎星垒! 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前许多通信业务，例如移动通信、电视广播等对无线频谱的使用都必须有 政府专门频谱管理机构的授权。除了授权频段，还存在一些用于社会公共组织使 用的没有授权的频段，例如无线局域网w l a n 所在的2 4 g h z - 2 4 8 4 g h z 频段。随 着无线业务的成倍扩展，大量的无线应用急需更多的频谱资源，但是除去已经授 权的频段和非授权频段，剩下的可用频段越来越少；这样造成的后果，一是新兴 业务不断占用剩下的可用频段，这样不仅要花费大量的资金，也不利于未来无线 业务的可持续性发展；二是，占用非授权频段，而导致在这些频段业务种类繁多， 负担过重；可以想象，这两种方法都不能真正解决通信业务高速发展与稀缺频谱 的矛盾；于是，一些专业研究机构和标准制定组织，例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，开始重新省思当前频谱利用方式，通过改 进以提高无线资源的利用率【l 】，改变这种尴尬的频谱使用局面。 x i m ma m p i i 出妇 h u w i 鳍 玎硼竹u 辩 i | 。一 + 一 ： s r 冀u 冀射棚i m t | s c ，一 一 一 i 。 b 舷l 。l 糟 1 -i 。i 陌 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 的固定频谱分配结果是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。根据f c c 1 】【3 】【4 】，频谱的利用在时空上变化范围从 1 5 - - - 8 5 ，也就是说，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。为了改变这个局面，人们研究解决方法的同时提出了下一代 网络( x gn e t w o r k ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 的概念【2 1 ，也被称为动态频谱接入 网络( d s a n s ，d y n a m i cs p e c t r u ma c e e s sn e t w o r k ) 或者认知无线电网络( c r n e t w o r k ，c o g n i t i v er a d i on e t w o r k ) i s 】。这种网络之所以能有效解决当前频谱稀缺 的问题是因为它根本上改变了当前固定频谱使用的方式，利用c r 技术，利用动 态的频谱接入和使用方式，可以不干扰主用户，采用随机接入的方式实现不同用 户间频谱共享，提高频谱利用率。 1 2 认知无线电网络综述 在最近研究认知无线电的经典综述性文章【2 】 n e x tg e n e r a t i o n d y n a m i c s p e c t r u ma c c e s s c o g n i t i v er a d i ow i r e l e s sn e t w o r k s ：as u r v e y 中，首次提出下一代通 信网的概念，简称x g 网络； 这种网络通过c r 的硬件支持，动态接入技术的软件支持，能够机会地利用 授权频段的空闲频谱，不仅能提供很高带宽，还充分利用了无线频谱，改善了传 统频谱分配利用率差的状况。 这里需要指出的是，虽然说法上x g 网络和d s a n s 或者c r 网络相同，但是 在细节上，他们三者之间还是存在差异的。 x g 网络，顾名思义，指下一代移动通信网络，也是4 g ( 1 1 1 ef o r t hg e n e r a i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 的重要组成部分。它的核心技术除了包括c r 环境感知 与动态频谱接入技术之外，还采用以下三个技术： 一、异构无线m e s h 拓扑结构；一方面是指节点结构，主要包括固定的现有 网络的接入点和m e s h 节点，该节点可分为两类：双模节点多模超级节点。 它们具有水平和垂直切换功能，还能起到网关的作用，为其它单模或多模设备提 供基于多跳的某个特定网络的接入；另一方面指连接结构，它采用m e s h 方式的 网络结构和a dh o c 组网方式，理论上来说，所有的终端如有必要，都可以接入 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 到任何网络中，得到任何的服务。这种方法允许任意终端通过分布式的多个节点 接入任意网络，从而实现了网络在拓扑结构上的深度融合。 二、异构多无线电协作通信机制；协作包括网络实体间的协作和网络各层及 层间的协作。目前的研究主要集中在某个层上的协作及各个层之间的跨层协作； 对于网络实体间的协作，目前主要是研究网络节点间的协作，跨网的协作机制的 研究目前还未深入研究。 三、跨层优化的协议模型；它打破传统七层通信的协议结构，模糊层的界限， 加强层与层之间的协作以降低协议栈的信息冗余度、垂直开销、缩短响应时间， 节约有限的无线带宽资源。图1 2 为下一代网络的四个关键核心技术相互关系示 意图。 1 2 1 认知无线电网络功能 图1 - 2x g 网络核心技术示意图 如前文所述，认知无线电网络采用了c r 技术，能够感知周围无线环境，通 过对环境的理解、主动学习等措施，实现特定无线操作参数( 如功率、载波调制 和编码等) 的实时改变，调整系统的内部状态，适应外部无线环境的变化，从而 达到通信系统性能的最优化。c r 能够在不影响主用户的前提下智能地利用空闲 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 频谱并且实现随时随地、高可靠性的通信。综上所述，c r 技术的新一代的无线 通信网络必须具备以下四种功能： 1 、频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) ：即探测空闲的频谱 2 、频谱管理( s p e c t r u mm a n a g e m e n t ) ：即选择最适合用户需求的频谱 3 、频谱移动( s p e c t r u mm o b i l i t y ) ：即在需要频谱切换时，保持通信性能无缝 过度 4 、频谱共享( s p e c t r u ms h a r i n g ) ：在认知无线电用户间提供公平的，合理的频 谱接入机制 由于认知无线电网络必须具备这些功能，因此原有与静态频谱分配方式相统一的 通信协议体系必须作出相应的调整，来适应新功能的需要。具备上述功能的下一 代无线通讯网络体系结构为图1 3 所示。从图中可以看出，跨层策略在这种网络 结构中起着至关重要的作用。频谱感知与频谱共享主要聚集在网络下两层， e 鞠黼d 掘幻氐c 懈l 酬棚嵋c 嘲卤翻胁溉_ 曲：惦m t a t m s l i a a 图1 - 3 认知无线电网络功能与层次结构 相互协调，提高频谱效率；而频谱管理与频谱移动的实现则需要应用层，传输层， 路由层连同下两层的相互配合。 本文主要探讨的频谱共享技术中的动态频谱接入主要集中在网络结构的下 两层，从图1 3 看出动态频谱接入主要对应于m a c 层，它直接依赖物理层c r 频谱感知的结果，因此有人提出了基于感知的m a c 跨层优化问题：z h a oq i n g 等提出基于感知的m a c 接入模型 2 7 - 3 3 1 ，并通过将物理层与m a c 层相接合的机 会频谱接入跨层优化策略，来最大化c r 用户的吞吐量，同时降低与主用户的碰 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 撞概率。 其次，频谱移动性导致的频谱切换会引起传输延迟，如何减小延迟需要认真 研究。切换期间信道参数将受到影响，如何通过感知找到一个更好的等同频段， 链路层和应用层以及路由层都很重要，受到延迟而产生传输和路由质量都会下 降。 1 2 2 认知无线电网络组成 i a n f 在 2 】文中基于现有的网络，按照授权与非授权频频段划分，提出了x g 网络的整体结构与组成部分，其中包含x g 网络中一些重要概念：主用户和次用 户。在基于c r 的x g 网络中存在两种用户类型，一种是传统的用户，它具有使 用某段频谱的权利，故称为授权用户( l i c e n s e du s e r ) ，或主用户( p r i m a r yu s e r ) ， 从名称上突出它对该频谱使用的较高优先级。另种是x g 网络中新出现的一类 用户，由于它本不具有使用该段频谱的权利，因此称为非授权用户( u n l i c e n s e d u s e r ) ，或称为次用户( s e c o n d a r yu s e r ) 。由于次用户利用了c r 技术，还被称为 c r 用户，在x g 网络应用背景下也称为x g 用户。下文中，主用户等同于授权用 户；非授权用户和次用户、c r 用户、x g 用户都表示同一概念。 x g 网络典型结构和组成如图1 4 所示，横向上，x g 网络结构可以分成两部 分：主网络p r i m a r yn e t w o r k 和x g 网络。 翱雄a n 蝴拄刚 图1 _ 4i a n f 总结提出的x g 网络结构与组成 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 在主网络中，网络用户拥有独享某段频谱的权利，例如现有的蜂窝通信网和 t v 广播网络。主网络的组成包括：主用户p r i m a r yu s e r ，也称授权用户：它的 接入过程受到主基站的控制，且即使与x g 基站、x g 用户共存，其功能也无需任 何的改进；主基站p r i m a r yb a s e s t a t i o n ：它是主网络中的固定设施，具有一般 基站的收发功能，它也无需具备任何与x g 网络共享频谱的功能 x g 网络的组成包括：x g 用户，也称为非授权用户、次用户、c r 用户： 为了在授权频段共享频谱，它必须具备更多的与之匹配的功能x g 基站：提供 给x g 用户接入x g 网络的服务频谱代理s p e c t r u mb r o k e r ：它作为x g 网络的 中心实体，用于不同的x g 网络间共享频谱。 从图1 4 纵向上看，这种网络结构则对应三种c r 用户的接入方式，： ( 1 ) x g 网络接入：x g 用户通过它们的x g 基站接入到授权频段或非授权 频段。 ( 2 ) x ga d h o c 接入：x g 用户不经过x g 基站，在授权和非授权频段上相互 通信。 ( 3 ) 主网络接入：x g 用户也可以通过主基站接入授权频段。 1 2 3 认知无线电网络体系架构 近年来，认知无线电受到学术界普遍关注，许多国家的研究机构在有关项目 支撑，建起了认知无线电网络平台，并根据不同的技术侧重点、调制方式、频谱 使用方式，提出了富有代表性的认知无线电网络架构： ( 1 ) s p e c t r u mp o o l i n g e l o 】【l i 】：采用o f d m 的中心式共享架构与移动式的c r 用户感知方法，并在有主用户出现的子载波上以最大功率调制一个复杂的符号， 基站接收后分配和共享频谱资源。 ( 2 ) c o r v u s 1 2 】【1 3 】：采用协调方式实现主用户的感知和频谱分配。c r 用 户分组协调进行通信，通过通用控制信道来交互感知和控制信息。物理层和链路 层通过虚拟未授权频段的认知无线电方法进行平台测试1 4 】【1 5 】 ( 3 ) d i m s u m n e t t l 6 - 1 8 ：采用统计复用接入( s m a ) 和协调接入( c a b ) ， 具有捷变特性；中心式频谱租借机制既可提供高效频谱利用率又能减小系统复杂 度并满足灵活性要求。 6 南京电人学砸【研究学位* 立 第一章绪论 ( 4 ) d r i v e o v e r d r i v e i ”引i ：在异构网络中通过通用西调信道接入实现动态 频谱分配。在时间动态频谱接入中c r 使用当前时间朱被占用的频段；在空间 动态频谱接入中，c r 能够自适应通信中的本地流量波动。 ( 5 ) n u t i l 【2 2 - z 4 采用分布式协调无需中心控制的中继实现频谱共享。 ( 6 ) o c r a 网络i9 i ：提出基于o f d m a 的认知无线电网络，在异构环境的 所有可能场景下研究跨层o f d m 动态频谱接八。 ( 7 ) c o g n i t i v e n e t w o r k s ：m o t o r o l a 2 q 及v i r g i n i a t e c h 等提出了“c o g n i t i v e n e t w o r k s ”并给出相应的体系架构，认为无线认知网络是一种具有认知能力和认 知过程，能够感知网络当前的状况，并根据当前的状况来规划、决定并行动的网 络，也就是说可以通过自我配置来进行动态自适虚操作。自我配置的主要功能组 成是自我意识和自动学习，通过具有网络意识的中间件和网络各组成部分分布式 交叉来实现。应用和服务能够自适应的利用增强的刚络性能，并且对潜在的重配 置不可知，对应着提供无缝移动服务。无线认知网络能最大化操作者的能力。相 应的认知无线电作为节点构成智能的认知无线网络，它也是网络的核心。 b e a c o n n g s y s t e m m e a s u ms y s t e m d e l e c t i o n a | 。o r i t h r - o - h a n d 吖f a d a p t e r s 圈圈蕊 p r o g r a m m a b l em a cm u l t i b a n d 图1 - 5 m o t o o l a r 提女的c o g n i t i v e n e t w o r k 网络架构 1 2 4 认知无线电网络研究现状与未来发展 幽内外这两年针对认知无线电阿络的研究，除了得到h 述的7 种网络体系模 型，还在相关信号处理人t 智能、软件无线电、频率捷变、功率控制等领域取 得显著的成果。以下对认知无线电网络和c r 技术的研究现状做个总结： 美国联邦通信委员会f c c 在2 0 0 2 年发却的s p t f 报告，对频谱资源的使用 政策的变化，其有深远的影响。认知无线电工作组2 0 0 3 年5 月在华盛顿成立， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 随后2 0 0 4 年3 月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 技术正式起步。2 0 0 4 年，弗杰尼亚理工学院的c h r i s t i a nj a m e sr i e s e r 发表的 博士论文 b i o l o g i c a l l yi n s p i r e dc o g n i t i v er a d i oe n g i n em o d e lu t i l i z i n gd i s t r i b u t e d g e n e t i c a l g o r i t h m s f o rs e c u r ea n dr o b u s tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r k i n g ，提出了一种基于遗传算法实现的c r 模型，其中利用了基于遗传算 法的人工智能模型。2 0 0 4 年1 0 月在美国华盛顿召开的c o g n i t i v er a d i o 会议在需 求、初始化、机会和挑战等方面对c r 展开讨论。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 月的i e e e 通讯选题杂志j s a c 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 dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ”【7 1 ，为国际性的认 知无线电技术研究指明了方向。2 0 0 6 年i e e ef e l l o wi f a k y i l d i z 通过总结 d y s p a n 2 0 0 5 的研究成果，撰写了基于认知无线电技术的下一代网络综述性文章 “g e n e r a t i o n d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s c o g n i t i v e r a d i ow i r e l e s sn e t w o r k s ：a s u r v e y 【9 1 。一些著名的大学研究机构如u cb e r k l e y 、s t e v e 、r u t g e r s 、g e o r g i a 、 t ub e r l i n ，世界各大公司如i n t e l 、l u c e n t 、n o k i a 、q u a l c o m m ，一些研究论坛如 s d rf o r u m 、国际电信联盟等也纷纷展开对c r 的研究。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。美国国防部d a r p a 的下一代通信网络 x g 计划，将研究开发以认知无线电为核心的系统和关键技术，称其论证的频谱 效率可使目前的频谱利用率提高1 0 到2 0 倍。近两年国际上召开的几个重要的有 关认知无线电技术和动态频谱分配的会议所发表的论文中。它们分别是2 0 0 4 年 1o 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 s 会议，其主要议题包括：认 知无线电的频谱政策军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知无线电， 用于自适应频谱管理的工具和技术等与认知无线电相关的选题。又如在2 0 0 5 年 1 1 月份召开的d y s p a n 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，会议发表了8 0 多篇文章。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 月在希腊召开，探讨了与 认知无线电相关的频谱共享、租借频段的收费等技术、经济等问题。d y s p a n 2 0 0 7 和w c n c 2 0 0 7 也以动态频谱接入和认知无线电技术为专题，继续展开对认知无 线电频谱共享技术的研究和讨论。近期在i e e e 通讯选题杂志j s a c 又以 “c o g n i t i v er a d i of o rd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ”为主题发表了有关认知无线电动态 频谱接入方面做了综述性的探讨。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 学术界和通讯界对于认知无线电网络从理论走向实际应用充满信心，c r 技 术必定会给整个通信行业带来新的发展契机。未来认知无线电网络可能的应用场 景，主要集中在以下几个方面【2 】： ( 1 ) 出租网络( l e a s e dn e t w o r k ) ：在不影响授权用户正常通信前提下，通过 租借授权用户的频段来满足自身通信要求。 ( 2 ) 认知网状网络( c o g n i t i v em e s hn e t w o r k ) ：在未来移动通信系统中将采用 网状拓扑，通过利用c r 技术，满足用户吞吐量大、高速宽带连接的要求。 ( 3 ) 应急网络( e m e r g e n c yn e t w o r k ) ：在突发事件中，需要大量的频谱用于 处理紧急事件，如地震、