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摘要 认知无线电系统中的无线资源管理算法研究 摘要 随着移动通信技术的发展，数据宽带从1 0 k b p s 增长到1 0 m b p s ， 将来还提高到上百、上千m b p s 。为了满足日益增长的宽带无线通信 的巨大需求，根据香农信息理论，人们不断开发新的高频谱效率的传 输技术，利用更多的频段来提供各种业务。但是，随着用户需求的增 长，由于受到实际应用的限制、以及频谱资源的不足，简单地通过开 发新的无线技术已经无法满足宽带需求的快速增长，成为制约无线通 信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给很多现有无线系统的频谱资 源却在时间和空间上存在不同程度的闲置，现有的频谱分配方式导致 资源利用率比较低。 认知无线电技术( c r 技术) 是一种具有自主寻找和使用空闲频 谱资源能力的智能无线电技术，它让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。 本论文的主要研究方向是认知无线电系统中的无线资源管理方 面的内容。本论文首先介绍了认知无线电技术的基本概念，然后对认 知无线电系统中的关键技术做一个简单的总结；重点介绍了认知无线 电技术中的功率控制与跨层优化方面的内容。最后，本论文对于 8 0 2 2 2 协议相关的内容做了一定的介绍。 本论文重点研究了功率控制和跨层优化技术在认知无线电系统 中的应用，提出了两个无线资源管理算法，并且搭建静态仿真平台验 证了提出的算法在性能上的优越性。考虑到实际中认知无线电网络的 分布式特性，论文中提出了算法的分布式实现方法，能够有效的应用 到实际的认知无线电系统中。 关键词：认知无线电功率控制跨层优化8 0 2 2 2 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho fr a d i or e s o u r c e 【a n a g e 正n t a l g o i u t h mf o rc o g n i t i v er a d i os y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e d a t ar a t eh a sb e e ni n c r e a s e df r o m10 m b p st o10 0 m b p s ，a n dw i l lb e i n c r e a s e dt og b p si nt h ef u t u r e i no r d e rt os a t i s f yt h ei n c r e a s i n gn e e d sf o r w i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w eh a v et od e v e l o pn e wt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y , p r o v i d ed i f f e r e n ts e r v i c ew i mm o r ew i r e l e s sb a n d h o w e v e r , l i m i t e db yt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dt h el a c ko f s p e c t r u mr e s o u r c e ，w e c a n n o tm e e tt h en e e d sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns i m p l yb yd e v e l o p i n g n e wt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y o t h e r w i s e ，t h es p e c t r u mr e s o u r c e sw h i c h h a v eb e e na l l o c a t e dt ot h ee x i s t i n gw i r e l e s ss y s t e ma r en o tf u l l yu t i l i z e d d u et ot h ec u r r e n ts p e c t r u ma l l o c a t i o nm e t h o d c o g n i t i v er a d i oi sa ni n t e l l i g e n tr a d i ot e c h n o l o g yw h i c hi sc a p a b l et o f m da n du s et h es p a r es p e c t r u mb a n d s ac o g n i t i v et e r m i n a lc a ne x a m i n e ， a n a l y s e ，s t u d ya n dr e g u l a t et h eh i s t o r ya n dc u r r e n tc o n d i t i o no ft h e s o r r o u d i n ge n v i r o n m e n t , a d j u s ti t st r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sa n du s et h e b e s tw i r e l e s sr e s o u r c e s ( i n c l u d i n gs p e c t r u m ，m o d u l a t i o nm e t h o da n d t r a n s m i s s i o np o w e r ) t h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i s p a p e r i st h er a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n to fc o g n i t i v er a d i os y s t e m i tf i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o n o fc o g n i t i v er a d i oa n dt h em a i nr e s e a r c ha r e ai nc o g n i t i v er a d i o t h e n ，a d e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h er e s e a r c hp r o d u c t i o ni sg i v e n f i n a l l y , t h e p a p e rs u m m a r i z e st h em a i nt o p i co f8 0 2 2 2p r o t o c 0 1 t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri st h er e s e a r c hp r o d u c t i o no ft h e p o w e rc o n t r o la n dc r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yi nc o g n i t i v er a d i o s y s t e m i nt h i sp a p e r , t w or a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta l g o r i t h m sa r e p r o p o p s e d b ys e t t i n gu ps t a t i cs i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h ea d v a n t a g eo ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m sc a nb ed e m o n s t r a t e d w h a ti sm o r e ，c o n s i d e r i n gt h e d i s t r i b u t e dm a n n e ro ft h ec o g n i t i v er a d i os y s t e m ，t h ep a p e rd e s i g n st h e i i 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t d i s t r i b u t e di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m sw h i c hc o n b ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c a ls y s t e m k e yw o r d s ： c o g n i t i v er a d i o ， o p t i m i z a t i o n ，8 0 2 2 2 i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：薤垒垦 日期：本人签名：经丝左日期： 少t2 ，k 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 盎垂整 日期：2 竺望：兰：垒 导师签名：二狂斋叠k日期t 二硷日二j 二i l l 北京邮电大学硕士学位论文第l 章 1 1 背景 第1 章认知无线电概述 无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，随着无线通信技术的飞快发展，尤 其是随着无线局域网( w l a n ) ，无线个域网( w p a n ) 技术的兴起，人们越来 越多的使用无线技术接入互联网。像w l a n ，w r a n 等技术主要是工作在非授 权频段，随着业务量的增加，这些非授权频段的使用率( 包括时间上和频率上) 接近于饱和了，即在不增加频段的情况下，已经没有资源供新业务接入了。然而 大部分适用于无线传输的频段都已经分配给授权系统使用了，比如广播电视频 段，由于电视广播业务需要通信网络的具有一定的保护功能，使它不会受到其他 通信业务的干扰，频谱管理部门专门划定了一些频段供其适用，如图1 1 所示。 频谱资源贫乏的问题日益严重，为了缓解频谱资源紧张的现状，相关的部门和机 构对无线通信频谱进行了监测和研究，发现有的频段在多数时间内并没有用户使 用或是在多数地域并未使用，有的频段也只是偶尔地短时间被占用，其他频带的 使用则出现多系统多用户同时竞争的情形 1 】，如图l - 2 所示。于是，便出现了 有些具有很大业务承载量的系统没有足够的资源，而另外一些业务承载量不是很 大的系统却占用了太多的资源的情况。这些情况是由于频谱的固定分配造成的， 在这种频率资源使用不平衡的情形下，如何提高频谱的多维度利用率，即在不同 地区的不同时间段里有效地利用不同的空闲频谱，成为无线通信领域非常关注的 技术问题。美国联邦通信委员会( f c c ) 对此也表现出了很大的兴趣，目前正致 力于开放电视频段用于无线通信领域，提高频率利用率。 北京邮电大学硕士学位论文 第l 章 h _ o 呻 图1 - 2 ：无线频段使用情况 现有的频谱共享技术如工业，科学，医疗( i s m ) 频段菸享接入，3 1 0 g h z 频段使用的l r w b 技术仅仅适用于固定频段的共享使用。这种共享技术灵活性很 差，而且会对已存系统引入干扰，对已存系统的容量及系统稳定性造成一定的影 响。认知无线电( c o g 匝f i v e r a d i o ) 2 1 1 3 篚j 概念正是在这种背景下产生的，其目 的在于通过智能化监测当前无线电环境的变化动态的选择空闲的频率进行通 信，同时不会对授权系统造成过大的干扰。认知无线电有别于现有的频谱共享技 术，比如相对于u w b 技术，u w b 技术是一种重叠共享( u n d e r l a ys h a r i n g ) 的方 式与授权用户进行公用频段，而认知无线电技术可以采取重叠共享的方式与授权 用户进行公用频段，也可以采用采用交叉共享( o v e r l a ys h a r i n g ) 的方式来共享 的。因此，利用认知无线电技术可以有效的利用频谱空润，频谱的利用率可以得 到显著的提升，而且也可以适用于长距离的传输。 一ip)ol=p 北京邮电人学硕士学位论文第1 章 1 2 认知原理 前面已经介绍，认知无线电的提出主要是为了提高频谱利用率的，与以往无 线网络研究中使用更优的编码，调制方式等来调高单位资源上的利用率不同，认 知无线电技术主要是通过利用未被使用的或是使用率比较低的频段来提高频谱 利用率的。由于频段上己存授权系统，他们不会容忍认知用户的使用影响到他们 的正常通信，所以认知用户使用授权频段的前提是，不对授权系统造成过大的干 扰。因此，如何去发现频谱机会，利用授权系统未使用的频段，是认知无线电技 术亟待解决的问题。 目前，对于认知无线电技术的定义还不是很统一，这里给出一种比较获得认 同的概念。认知无线电的基本定义可归纳为：认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 是可 以感知外界通信环境的智能通信系统。认知无线电系统不断地感知外界的环境 ( 频谱使用情况) 变化，通过学习的机制，自适应地调整其传输参数，在不对授 权系统造成有害干扰的条件下实现对频谱的利用。 上述的概念很好的诠释了认知无线电技术的基本特点，首先，准确的感知是 认知无线电技术使用的前提，为了避免对授权系统造成有害干扰，认知系统首先 要感知频段，发现频谱机会。认知无线电的学习能力是使它从概念走向实际应用 的真正原因，有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经验来对实际的情 况进行处理，过去的经验包括对频段上的使用情况，干扰情况，信号特征，解决 方法等方面的内容。这样，c r 有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和 过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。自适应调整的能力是认知系统区别 于别的系统的最大特点，自适应调整一方面是为了保持系统的稳定性，另一方面 是为了提高频谱资源的利用率。 认知无线电是在软件无线电基础上发展起来的一种新的智能无线通信技术， 它最初是由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 1 】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。f c c 由此得到启发，提出了一系列的向认知无线电设备 开放频谱的建议 5 】，并在2 0 0 4 年5 月的政策性文件中提出具体的共享方案：即 使是未获得频率使用许可的认知设备，只要在时域或空域发现某一特定频段未被 占用，就可以使用该频段进行通信 5 】。该政策迅速推动了i e e e8 0 2 2 2 和i e e e 8 0 2 1 6 h 的标准化进程。 北京邮电人学硕士学位论文第1 章 1 2 1 认知过程 认知无线电技术与传统的无线技术以发送机为中心( t r a n s m i t t e r - c e n t r i c ) 的 机制不同，是以接收机为中心( r e c e i v e r - c e n t r i c ) 的。接收机具备感知外界激励 的功能，可以自适应的去改变自身的传输参数。一般来讲，m i t o l a 2 认为基本的 认知过程包含包括四个部分：无线环境检测，无线场景分析，推理与学习，决策。 如图1 3 所示： 图卜3 ：认知过程 钔无线环境监测 认知无线电系统应用的前提是不会干扰授权系统的正常运行，由于授权系统 的出现是不可预知的，所以进行准确的无线环境检测是非常重要的。无线环境监 测包括频谱空洞检测，信号识别等方面的内容。一个认知终端必须具备在一个较 大的频段范围内进行检测的功能，这样才能发现足够的可用频段。认知终端还要 能够及时地发现授权用户的活动，以便及时的采取措施。由于目前8 0 2 2 2 协议 主要是针对电视频段制定的，而电视终端是“哑设备”，所以如何去检测这类哑 终端是一个非常难以解决的问题。目前提出的一种方法是利用接收机本振频谱泄 露进行检测。 b 、) 无线场景分析 无线场景分析包括对终端自身业务的分析，对监测频率的分析等等。通过无 线场景分析，终端可以知道可用的频率资源及自身的传输参数等方面的信息。 c ) 推理与学习 认知无线电技术的一个显著的特点就是它的智能性，认知终端可以在没有中 4 北京邮电大学硕士学位论文第l 章 心控制的情况下，去自适应的改变参数。其中一个很重要的原因就是其学习的机 制，认知终端可以根据一些经验状况去决定当前的决策。比如当认知终端想要去 使用电视频段，由于在电视频段，频段的使用情况相对固定，认知终端可以用学 习的机制去预测当前的无线环境。 m 决策 认知终端通过前面的步骤，做出对当前无线环境最优的反应，调整其传输波 形，功率，使用频率等参数。 1 2 2 认知网络 现在的网络受限于诸如网络结构过于复杂以及服务质量，安全性等多方面的 限制，使得现有的网络不能够满足人们的需求，因而需要一种新型的智能网络的 出现使用认知网。 1 2 2 1要求 认知网络【4 】需要比一般的网络有更好的端到端的性能。认知网络本身的灵 活性可以用来改善资源管理，服务质量，网络安全性，网络接入控制等。不仅仅 是无线网络，a d _ h o c 网络，有线网络都可以进行认知网的设计。理想情况下认 知网络应该是前瞻性的，而不应是被动的去适应，它应该能够在问题发生之前去 作出调整。而且，它的结构应该具有可扩展性，以便于支持将来的改进。 1 2 2 2 定义 一个认知网络 4 】可以去感知当前的网络环境，然后根据当前的环境进行感 知，学习，自配置。网络可以根据这些改变去做出相应得计划，去实现端到端的 目标。在这里，端到端是非常重要的，它包含了在传输数据的整个过程中所牵涉 到的网络元件，包括子网，路由器，转换器，虚连接，接口，编码安排等。 基于认知无线电技术的认知网络可以大大的优化现存的网络，提高网络服务 质量，虽然现在仍然有很多的技术瓶颈亟待解决，但由于其较为广阔的发展前景， 可以成为未来网络的一种选择。 f 4 1 中指出一个认知网络的基础是软件可适配网络s a n ( s o f t w a r ea d a p t a b l e n e t w o r k ) ，它的功能类似于s d r ，能够具备一定的可调性，可以根据上层的指 令来改变自己的某些参数。认知网络的核心是被称作认知层的元件，它可以根据 目前网络的状态来作出合理的决策。 北京邮电大学硕士学位论文第1 章 1 2 2 3网络结构 应用用户资源 认知层 埔 i 矿 妙 网络状态 网络接口 传感器 图l _ 4 ：认知结构 目前，对于认知网络的网络结构的认识还不是很统一，总体来讲，可以分为 集中控制型，分布控制型和混合型网络结构。集中控制式的网络是指在网络中有 一个中心控制单元来指导各移动台来进行功控，频率选择，切换等等方面无线资 源管理的工作，中心控制单元作为一个信息汇聚节点，它必须要有足够的能力去 结合汇总到的各个节点的信息，协助移动台处理复杂的控制过程；分布控制式网 络是指网络中所有的以动态的地位都是对等的，没有中心控制的单元，移动台基 于自身所能获得的局部信息来做出资源分配的控制；混合式网络的结构可以比较 灵活，考虑到网络节点比较多时，中心节点的处理工作会比较庞大，移动台可以 自组织的形式来形成小的网络，在局部的网络内部进行集中式的控制，这样一来， 组网就比较灵活，而且减少了信息的开销。 1 ) 集中控制型 比较容易控制，可以获得较高的网络性能，但是受限于基站的能力。 6 北京邮电大学顶学位论文第l 章 煺。端 t _ 毫终端 o l 动孑酬2 、亍- 甓急端- 爻黑 _ - 搿动 北豪邮电大学硕士学位论文第1 章 一l l i i ic 目动踌螭 图l o ：混台式网络结构 1 2 2 4 认知无线电技术实现的关键 通过上述的介绍，可阻看出，对于认知无线电技术的实现的关键要在于强大 的硬件平台的支持。在这里要指出的是，每次认知无线电的平台的决策必须是快 速的，以免对授权系统造成干扰。然而作为学习的机制是一种慢速长期的过程， 也就是说，每次处理的过程是快速的，而认知无线电平台在通过不断的处理新情 况时来积累，学习，这是一个长期的过程。 首先，为了发现频谱机会，感知的结果要准确及时，因此对于认知终端首 先要有一个高检测灵敏度和处理速度的接收机，能够在较短的时间内发现频谱机 会，正确识别频段上已存信号的类型。 另外，要有一个强大的处理平台，由于频谱机会是动态的，为了避免对授权 用户的干扰，一旦授权用户出现，认知系统要及时退出该频段或采取一定的措旄 避免对授权系统造成有害的干扰，这就要求认知系统要有一个处理速度非常快的 处理平台。 最后，硬件平台要有灵活的重配置能力，由于认知系统使用的频段是根宽的。 不同频段的无线场景有很大的不同，因此认知平台需要有足够灵活的重配置能力 去适应不同的无线场景。 目前一些公司和研究机构实现了认知无线电的硬件仿真平台，m i t r e 公司研 究了自适应频谱无线电( a s r ) 的实验床，验证了自适应频谱接入的可行性。维 古尼亚无线通信研究中心开发出了认知无线电系统硬件试验床1 6 】，伯克利大学 北京邮电人学硕士学位论文第1 章 也开发出了硬件仿真平台【7 】。但总体上讲，还没有成熟的商用平台的出现。 1 3 主要研究点 目前对认知无线电系统的研究主要集中在频谱感知，频谱管理和功率控制等 方面。目标是在不干扰授权用户的情况下选择合适的频谱共享的策略来提高频谱 利用率。在这一节中，将会讲述目前各个知识点上存在的研究情况，对每个研究 点都给出了一种比较典型的研究方法。首先，来给出目前研究中采用的主要研究 模型。 1 3 1研究模型 目前学界对于频谱共享的模型的认识不是很统一，主要存在两种频谱共享的 思想 8 】。一种是f c c 提出的基于“干扰温度 的频谱共享理念，一种是基于 f c a p a r 等人提出的频谱共享理念。 接 瘦 功 率 瘩 平 图1 8 ：干扰温度模型 f c c 在2 0 0 2 年专门成立了一个工作机构s p t f ( s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e ) 来研究认知无线电技术，s p t f 认为，一个工作系统在设计时，会留有一些冗余 度，用以确保系统在遭受一定程度干扰的情况下仍能正常运行。认知系统可以利 用这种信噪比的冗余量，让系统的非授权用户在不影响授权用户正常工作的情况 下，和授权用户同时使用这些频段进行工作。通过自适应的、动态的方式实现多 用户的频谱资源共享，达到最大限度提高频谱利用率的目的。基于上述分析，f c c 给出了一种认知无线电的定义。认知无线电可以在各频段感知非授权用户在授权 用户接收机处产生的干扰值。若在某频段，授权用户接收机处产生的干扰值小于 某一预先规定的干扰门限，则非授权用户就可以接入此频段，和授权用户同时使 用这段频谱，否则，继续寻找另外可用的频段。可见，f c c 提出的这种认知无 9 北京邮电人学硕士学位论文 第1 章 线电技术，为了保证授权用户和非授权用户同时正常工作，在授权用户存在的时 候，认知用户与授权用户是一种“重叠复用”的情况，而在授权用户不存在的频 段，非授权系统是一种“交互复用”的情况。f c c 给出的这种认知无线电技术 的定义，对于检测的灵敏度要求较高，必须准确测得引入非授权用户后，将对授 权用户带来的干扰值，并预先知道授权系统可接受的干扰值。据此设定干扰门限， 判断是否允许非授权用户的引入。 f c c 提出以一种“干扰温度的机制来控制和管理非授权用户对授权用户 产生的干扰。“干扰温度 用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户接收机 产生的干扰功率。系统设定一个保证授权用户正常运行的干扰温度门限，该门限 由授权用户能够正常丁作的最坏信噪比水平决定。非授权用户被当作为授权用户 的干扰，一旦包括非授权用户信号在内的累积干扰超过了干扰温度门限，授权用 户系统就无法正常工作，反之，可以保证授权用户与非授权用户同时正常工作。 对于“干扰温度的机制，认知系统如何准确的得知系统的干扰情况，如何 得知授权用户所能忍受的最大干扰，即“干扰温度 值，是一个必须解决的问题。 f c c 公布的基于干扰温度概念的认知无线电提议，在学术界引起了广泛的 关注和讨论。很多科学工作者对于是否能够实施、执行这套工作机制提出了很多 质疑： ( 1 ) 非授权用户工作机会小 根据香农定理，提高信噪比可以增加信道容量；反之，损失部分信道容量， 可以降低对系统工作信噪比的要求。f c c 也是基于这种考虑，希望利用授权用 户系统的信噪比冗余量，通过降低系统信噪比，让非授权用户接入工作但是，在 现有的授权用户系统中，这种信噪比冗余量并非大量存在。一系列的研究表明： 无线通信网络的背景噪声一般接近常值。而且现有的通信系统普遍具有动态的功 率控制功能，也就是说用户是根据目标信噪比和背景噪声的大小动态调节发射功 率，使发射功率维持在一个能够保持通信的最低功率水平上。这样，授权用户信 号和背景噪声之间就不存在可以被非授权用户依据“干扰温度”机制而使用的信 噪比冗余量。认知系统实际上能占用的频谱还是授权用户未占用的频段。 ( 2 ) 干扰温度值检测困难 f c c 给出了3 种测量干扰温度值的方法：自我检测、间接检测和直接检测， 但具体实现均存在一定困难。首先，对于自我检测，即非授权设备自带干扰温度 测量装置，感知自身传输功率的水平，在自身的位置测量系统工作状况，并计算 其传输可能对同频带授权用户产生的干扰如果发现自身信号造成的干扰水平低 于系统允许的工作门限，则可以接人该频段工作，否则禁止。经过分析发现，自 我检测方式和现有的i e e e8 0 2 1 1 协议中应用c s m a c a 的w l a n 设备相似， 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 第1 章 发射机只是从自身的角度来考虑情况，没有顾及到潜在的可能受到影响的接收机 的情况，导致了典型的“隐蔽站和“暴露站 的问题，使得非授权用户难以准 确查找到所有正在通信的发射机并准确估计它们的容量。其次，对于间接检测， 即在一个固定的地区安置检测机不断检测频段的干扰水平，并把它转化为干扰温 度值，通过特定的信道报告给准备工作的非授权发射机，非授权用户以此来判断 是否占用该频段。为了使得间接检测的测量值有效，必须保证检测机测量到的干 扰水平和被保护的授权用户受到的实际干扰水平有很强的相关性但是，非授权 用户位置的随机性使得授权用户周围的干扰有着很强的地域独立性：不同位置测 得的干扰值是不同的因此，要准确测出整个频带内的干扰水平很难。另外，为 了保证测量的准确性，需要将检测机放置在授权用户的附近。然而很多授权用户 的位置通常难以确定。例如移动电台和广播接收机：广播接收机没有发射信号的 能力，移动电台则经常处于空闲状态。由于不能有效确定这些授权用户的位置， 所以检测机也无法准确放置。可见，间接检测机制受到检测相关性和检测机安装 位置的限制，在很多场合下无法工作。最后，对于直接检测，即在下行链路中由 受影响的授权用户检测自身附近的干扰温度值，然后报告给各非授权用户。这一 方法克服了间接检测的缺陷，但是需要改造所有的授权用户系统，让它们具备测 量干扰温度值的能力，这很困难。总之，上述3 种检测方法很难确切得到干扰温 度值。也就是说，基于干扰温度机制的共享频谱方式难以实现。影响授权用户的 服务质量f c c 的分析掩饰了共享频谱方式对授权用户带来的问题。非授权设备 的引入将会导致系统噪声水平增加，减小系统的覆盖范围、容量和服务质量。【8 】 大量的实验数据表明，一个g s m 网络增加l d b 的干扰会损失2 5 的网络容量， 相应地要维持现状就要增加3 3 的小区数；一个e d g e 网络增加l d b 的干扰会 损失1 5 的覆盖范围，相应地要维持现状就必须增加1 7 的小区数，一个c d m a 系统增加l d b 的干扰会损失1 0 , - - - 1 5 的覆盖范围，相应地要维持现状就必须 增加1 2 1 7 的小区数。美国t e l e o r d i a 公司提交的技术分析报告也指出，在 共享频谱的情况下，由于引入了非授权用户的干扰，c d m a 系统的上行链路容 量大幅度下降；非授权用户由于受到c d m a 手持设备的影响，性能受到很大限 制：由于授权用户丢失的容量远远超过了非授权设备所能得到的容量，因此共享 的结果是得不偿失的。综上所述，f c c 提出的干扰温度共享机制的认知无线电 概念，目前存在着很大的争议，很难在短期内投入市场运行。目前，f c c 也倾 向于取消“干扰温度 的概念。 f c c 提出的频谱共享机制实际上是让认知用户在保持对授权用户的干扰在 某个干扰门限以下的条件下与授权用户共享频谱。认知用户与授权用户可以同时 工作在同一频段上。这种共享机制在实现方面虽然有着很大的局限性，但是，这 n 京邮电大学硕士学位论文第1 章 种机制能够发现更多的频谱机会。特别是目前研究比较多的把认知无线电技术应 用到u w b 系统当中，这种机制还是有一定的研究价值。 鉴于f c c 提出的干扰温度共享机制的认知无线电概念存在的种种问题，现 在，越来越多的研究者倾向于采用f c a d a r 等人提出的认知无线电技术的概念： 认知无线电可以在各频段连续不断地检测是否有授权用户在发射信号，若检测到 授权用户信号，则认为授权用户存在，非授权用户暂时不使用该频段；反之，非 授权用户可以利用该频段传送信息。非授权用户在工作过程中，一旦发现授权用 户开始使用这个频段，立即停止对该频段的使用，切换到其他适台的频段继续工 作。这种认知无线电概念定义了一种智能化的动态频谱资源管理方式即授权用 户拥有最高的频谱使用优先级，若干具有相同低优先级的认知无线电用户可以与 它分时段分享频谱资源，提高频谱资源的利用宰。2 4 年7 月，u c b l 娃l e y 的r w b r o d e r s c n 和s m m i s h r a 等人利用软件无线电平台初步验证了这种 认知无线电的可行性。由于这种定义方法给出的认知无线电较易理解和实现，因 此日前国际上开展的认知无线电研究大多基于此共享机制。对应于此共享机制学 者提出的研究摸型是“0 ，1 ”开关模型。 、删岬f i 山- 函湘赫咖删 图i - 9 ：“o ，1 ”频谱共享模型 在“0 ，1 ”模型中，认知无线电用户通过在某段频谱上频谱感知，检测授权 用户信号判断授权用户当前是否占用频谱，若某频段己经被授权用户占用，则该 频段对认知用户来说是不可用的，用“0 ”标志；若某频段未被占用，则该频段 对认知用户来说是可用的，用“l ”标志。认知用户通过对系统的所有频段进行 频谱婷知，可以得到一个频谱是否可用的频谱资滚剜衷其中还可以附加各信道 的状态信息，如眦等等由于无线频谱资源的时间、空间变化特性，每个认 北京邮电大学硕士学位论文第1 章 知用户的可用频谱资源列表会不相同，系统利用各认知用户的可用资源列表进行 动态信道分配，最大化系统的容量、信道的利用率或者提高频谱使用的公平性。 当授权用户处于工作状态时，认知用户不能使用该授权用户所对应的频谱；当授 权用户停止工作时，认知用户才可能使用该段频谱。并且当认知用户正在使用的 频谱的授权用户出现时，认知用户必须立即停止使用该段频谱资源，将对授权用 户的干扰降到最低。“0 ，l 分配模型中，正确及时的判断频谱是否可用是很关 键的，由于根据频谱感知的结果来判断授权用户是否出现，从而判断是否可以使 用该段频谱。一般认为，在认知用户的最大发射功率下，只要认知用户距离授权 用户的距离大于门限距离，或者只要频谱感知检测到授权用户的信号功率小于某 个门限功率值，就可以认为该授权用户不在工作状态，从而可以使用该段频谱资 源。并且对于认知用户，可能采取不同的传输方式、传输功率，这个门限功率值 的设置也会有所不同。 1 3 2频谱感知 认知无线电技术通信的前提是有准确的频谱感知结果。由于授权用户对频谱 的优先享用全，他们没有义务去改变自身的结构，发送信息格式等自身信息去迎 合认知用户的使用。因此认知用户必须要独立的，准确的，及时的去检测频段。 为了与授权用户去共享频段，认知用户必须能够实现准确的检测，【9 】中指出在 出现最坏的情况下，即在认知用户的接收机与授权用户的发送机之间是非视距 的，对授权用户的检测成功概率必须达到9 9 9 ，否则的话，授权用户是不愿意 与别人共享资源的。这对频谱感知技术提出了极为严格的要求。目前在频谱感知 方面研究比较多的在物理层感知技术和检测机制两个方面的研究。下面将分别阐 述这两方面的内容。 1 3 2 1感知技术 频谱感知是认知无线电技术区别于其他技术的主要特征之一，要发现频谱空 洞，认知用户需要扫描较宽的频段，不同的频段，用户有不同的感知精度，因此 要采用不同的感知技术，感知技术可以分为合作式检测和非合作式检测。 1 3 211非合作式检测 目前研究的比较多的感知技术是匹配滤波检测，能量检测和循环特征检测。 ( 1 ) 匹配滤波检测 北京邮电大学硕士学位论文第1 章 匹配滤波检测可以使接收信号的信噪比s n r 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。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有很多的先验信息，掌握每一类授权用户的各种信息。 因此匹配滤波器法可应用于对授权用户信息比较了解而且不是很经常变化的频 谱环，如电视频段等等。 ( 2 ) 能量检测 能量检测是一种非相干检测，适用于对检测信号没有足够信息的场景。为了 测量接收信号能量，需要将接收信号做f f t 变换到频域，然后对频域信号求模 平方并在观测时间内进行积分，并将积分器输出值与门限值进行比较，来判断是 否有授权用户的出现。 能量检测算法相对简单、易实施，与匹配滤波器检测算法不同的是，能量检 测算法是非相干检测，对相位同步要求不高。但是，检测门限值的设定比较困难； 不能分辨出有用信号、噪声和干扰；在低信噪比的情况下，检测性能不佳；不适 用于扩频信号、直接序列信号以及跳频信号。 ( 3 ) 循环特征检测 循环特征检测除了复杂度较高外，可以克服匹配滤波器检测和能量检测的缺 点。调制后的授权用户信号一般会有载频、跳频序列、循环前缀等，从而使信号 有内在的周期性。若信号的均值和自相关函数呈现周期性，且周期与信号的周期 相同，则称其是循环平稳的。我们可以通过分析信号谱相关函数中循环频率的特 性来确定授权用户信号是否存在。谱相关函数中，零循环频率处体现信号的平稳 特征，非零循环频率处则体现信号的循环平稳特征。因为噪声是平稳的，在非零 循环频率处不呈现频谱相关性，而授权用户信号是循环平稳的，在非零循环频率 处呈现频谱相关性。因此可以判定，若非零循环频率处呈现频谱相关性，说明存 在授权用户信号；若仅在零循环频率处呈现频谱相关性，则说明只存在噪声，授 权用户信号不存在。循环特征检测无需知道信号的先验信息而且能够区分噪声和 有用信号，可以摆脱背景噪声的影响，因此与上述两种授权用户发射端检测算法 相比对信号有较好的检测性能。但是，循环特征检测计算的复杂度高，所要求的 观测时间较长。 目前循环特征的检测不仅仅应用在有用信号与噪声共同出现的场景，在不同 类型信号之间如何相互检测也是一个研究热点。 ( 4 ) 其他方法 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 第1 章 【1 0 】中提出了一种多精度检测的方式，认知用户通过粗检测和细检测两步来 判断是否有授权用户的存在。 小波发生i c l o c k 图1 1 0 ：粗检测框图 图l 一1 1 ：细检测框图 在粗检测方式中，采用的是小波分析方法，由于小波变换可在频域对信号频 谱做多种分辨率的分析，所以对授权用户进行频谱检测时可在信号的频域特征 处进行高分辨率变换，从而提高检测概率；而在其他处则做低分辨率变换，节省 检测器的运算时间。细检测方式是在粗检测后若粗检测没有检测到授权用户信 号，则需细检测进一步确定。这里采用寻找相关性的方法。由于无线信号一般都 具有导频，前导码，循环前缀等特征，而噪声则往往没有这些特性，所以可利用 这些特征做相关性检测。如果一个信号与其延时后的信号存在很强的相关性，则 认为授权用户信号存在。通过两步检测，这种多精度检测方式与单一检测相比， 可获得更高的检测概率。 对于频谱的感知还可以在授权用户接收端来进行。授权用户接收端检测是通 过判断授权用户接收端是否处于工作状态来判断频谱的使用情况，目前的主要 算法有本振泄露功率检测和基于干扰温度的检测。授权用户接收机工作时，接收 的高频信号经过本地振荡器后，会产生特定频率的信号，由于天线泄露的原因， 一些信号会泄露出去，本振泄露功率检测的方法就是通过检测有无泄露信号来 判断认知用户是否在工作。应用这用方法，需要将传感器安置在接收端，当传感 器检测到本振泄漏功率时，会通知感知用户。该算法的检测范围比较小，为了保 证可靠性需要的检测时间会比较长。而且在实际中授权接受机的位置是很难得知 的，比如像电视机这种“哑终端”。 1 5 北京由篷电大学硕士学位论文 篁1 章 1 3 2 1 2 合作式检测 非合作式检测操作起来比较简单，不需要认知用户之间的协调，交互信息。 但是在感知准确性上不是很可观。由于多径衰落和遮蔽的影响，信号的强度会大 大降低，这时认知用户之间的协作是必要的。一个认知无线电设备的主要任务是 尽可能快地检测到授权用户的状态，认知用户需要不问断地感知频谱，过长的检 测时间将可能会影响授权系统的工作。例如，当授权用户突然出现在认知用户当 前正在使用的频段，认知用户距离授权发射机太远，即位于发射机功率覆盖边缘 上时，认知用户接收到的授权信号强度会很低，那么该认知用户会花费很长的时 间来检测授权用户信号，而授权用户不可能允许这个时间太长而影响他们自身的 工作，这种情况如下图所示： 恕 愿雅灌户p 韵功事边界 图1 1 2 ：认知用户之间的合作 这种情况在实际中是很常见的，因此，合作式感知成为了一个很好的选择。 1 3 3功率控制 在认知无线电系统中，认知用户要占用授权频段，所以要严格控制对授权用 户的干扰。由于现在研究比较多的是分布式的网络结构，所以认知无线电通信系 统中功率控制的实现以分布方式进行，以扩大系统工作范围，提高接收机性能 控制发送端功率是认知无线电系统的关键技术之一在给定的网络资源限制下， 特定用户可以通过某种形式提高其信道传输性能，也促使其他用户依次同样工 作。多址认知无线电系统的发送功率控制必须考虑两种网络资源限制，一是给定 的干扰温度限，二是存在的可用频谱空穴数量。目前存在的研究中主要是考虑到 授权用户与认知用户共享频段的情况，一种情况【l l 】是授权接收端处测量用户的 接受信噪比，然后根据此来调节认知用户的功率。但这种研究方法需要认知用户 知道授权用户的接受有用信号功率，噪声功率等信息，这些在实际系统中可能很 难为认知用户获得。所以考虑用博弈论的方法去解决有干扰约束条件下的认知用 1 6 鼗躜声声链链羽m嫱继翱翔 磁巾认认 ：眠i i i 、，lilf， 舭梦 翮圆 一 鬃 北京邮电大学硕士学位论文第1 章 户之间功率协调的问题。目前，对认知无线电系统的功率控制方面的研究主要就 存在基于博弈论和注水两种解决方案，这两种方案主要侧重在不同的方面，基于 博弈论的研究主要是为了去解决认知用户在共同使用相互冲突的频段时的功率 控制问题；而基于功率注水的方案主要是用来解决正交的资源上分配功率的问 题，因此很容易与频谱的分配结合起来。这两种方案也各自代表了目前研究比较 多的模型。 1 3 4频谱管理 认知无线电通过频谱感知功能检测到了可以使用的频段，这些频段包括授权 频段和非授权频段。如何快速有效的利用这些频段是一个亟待解决的问题。一般 来讲，频谱管理可以分为频谱分析，频谱分配两个部分。 1 3 4 1 频谱分析 认知无线电系统是一种“机会性”的占用频段的技术，因此，认知用户没有 使用频段的优先权，在得到感知结果后，需要及时的分析可用频谱，频谱分析应 当包括以下几个方面： ( 1 ) 干扰的分析 可用频段上可能已经存在别的系统在传输，频谱分析应该能够从已有系统接 收机处的干扰量来估算出认知系统的可用功率余量。 ( 2 ) 信道状况的估计 为了实现频谱资源利用的最大化，需要认知用户知道可用频段的信道状况， 以便于后续的频谱的分配。传统的信道状况估计的方法主要有差分检测和导频传 输。差分检测的优点在