（通信与信息系统专业论文）认知无线电系统中的频谱分配技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：2 0 0 7 级研究生陈太尚 指导教师：邵世祥 题 目：认知无线电系统中的频谱分配技术研究 英文题目：t h es t u d yo fs p e c t r u ma l l o c a t i o nt e c h n o l o g yi nc o g n i t i v e r a d i os y s t e m 主题词：认知无线电，频谱分配，图论着色，分簇 k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u ma l l o c a t i o n ，g r a p hc o l o r i n g ，c l u s t e r i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 认知无线电技术的提出，有效的解决了当前无线通信技术不断发展和无线接入需求同 益增长带来的频谱资源缺乏问题。通过对当前无线环境的感知，认知用户搜索可用的频谱 资源进行通信。频谱分配的目的是合理的选择和利用“空闲频谱”，使现有的频谱资源得 到最大化利用，并保证分配的公平性。 论文主要研究认知无线电系统中的频谱分配算法。论文首先阐述了认知无线电的概念 以及认知无线电频谱分配算法的基本原理和模型。然后，论文深入研究了图论着色模型中 基于列表着色和颜色敏感着色的频谱分配算法。 论文通过对基于列表着色的经典算法进行研究和分析，将协作方式和带宽效益参数融 入频谱分配算法，使该算法具有较高的性能且更符合实际应用。随后，论文在研究颜色敏 感着色算法的基本原理和标号准则基础上，提出合作式最大系统性能c m s p 算法，在满足 最高带宽总和要求条件下保持了系统的公平性。论文还将并行思想引入c m s p 算法，从而 大大减少了算法开销，满足了认知无线电系统空闲频谱快速时变的要求。 最后，论文将a d h o c 网络中的分簇理论应用于认知网络中，提出一种基于认知网络 的组合加权分簇算法，通过仿真验证该算法更适合在认知网络中对认知节点的分簇。 a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i o ( c r ) i sc o n s i d e r e da sat e c h n o l o g yw h i c hw i l le f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m o fs p e c t r u ms h o r t a g ec a u s e db yt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h eg r o w i n g d e m a n df o rw i r e l e s sa c c e s s b yp e r c e i v i n gt h ec u r r e n tw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，c ru s e r ss e a r c hf o r a v a i l a b l es p e c t r u mt oc o m m u n i c a t e t h ep u r p o s eo fs p e c t r u ma l l o c a t i o ni st oc h o s ea n du s et h e f r e es p e c t r u m ”r e a s o n a b l y , t h u sm a x i m i z et h eu s eo fa v a i l a b l es p e c t r u mr e s o u r c e sa n de n s u r e t h ef a i r n e s so ft h ea l l o c a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h es p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h mi nc r s y s t e m t h i sa r t i c l e f i r s td e s c r i b e st h ec o n c e p to fc o g n i t i v er a d i oa n dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm o d e l so ft h es p e c t r u m a l l o c a t i o na l g o r i t h m t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h el i s t c o l o r i n g a l g o r i t h ma n dc o l o r - s e n s i t i v e g r a p hc o l o r i n g ( c s g c ) a l g o r i t h mi nd e p t hb a s e do ng r a p hc o l o r i n gm o d e l b ya n a l y z i n gs o m ec l a s s i c a la l g o r i t h m sb a s e do nl i s t c o l o r i n g ，c o l l a b o r a t i v ea p p r o a c ha n d b a n d w i d t he f f i c i e n c yw e r ei n v o l v e di nt h ea l l o c a t i o no fs p e c t r u mr e s o u r c e si n t h i sa r t i c l et o m a k et h ea l g o r i t h mh a sh i g h e rp e r f o r m a n c ea n dm o r er e a l i s t i c t h e ni nt h es t u d yo fa l g o r i t h m t h e o r ya n dl a b e l i n gs t a n d a r d sb a s e do nc s g c ，an e wc o o p e r a t i v em a xs y s t e mp e r f o r m a n c e ( c m s p ) a l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，w h i c hc a nm e e tt h eh i g h e s ts y s t e mb a n d w i d t hs u m m a t i o n r e q u i r e m e n t sw h i l em a i n t a i n i n gt h ef a i m e s so fa l l o c a t i o n t h ep a r a l l e la l g o r i t h mw a si n t r o d u c e d i no r d e rt or e d u c et h ec o m m u n i c a t i o nc o s t st om e e tt h er a p i dc h a n g e so ft h e f r e es p e c t r u m i n c rs y s t e m f i n a l l y , t h ec l u s t e r i n gt h e o r yu s e di na d h o cn e t w o r kw a si n t r o d u c e dt ot h ec rs y s t e mi n t h i sp a p e r , an e wa l g o r i t h mc a l l e dc w cw a sp r o p o s e dw h i c hw a sp r o o f e dm o r es u i t a b l et o c l u s t e rc rn o d e si nc rn e t w o r kb ys i m u l a t i o n 南京邮l l l 大学硕_ l g f 究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 认知无线电概述：1 1 1 1 认知无线电的产生背景1 1 1 2 认知无线电的定义一2 1 1 3 认知无线电的应用一2 1 2 认知无线电的关键技术4 1 2 1 频谱检测技术一4 1 2 2 频谱分配技术5 1 2 3 功率控制技术一5 1 3 认知无线电国内外研究现状6 1 4 本文的研究工作及论文的结构安排7 第二章认知无线电系统的频谱分配理论9 2 1 引言9 2 2 认知无线电系统中的频谱共享9 2 2 1 频谱共享过程一9 2 2 2 频谱共享方式1 0 2 3 认知无线电的频谱分配算法模型一12 2 3 1 图论着色模型1 2 2 3 2 博弈论模型1 4 2 3 3 干扰温度模型1 6 2 3 4 投标竞价模型1 7 2 4 本章小结1 8 第三章基于列表着色的频谱分配算法1 9 3 1 引言1 9 3 2 基于列表着色( l i s t c o l o r i n g ) 的经典算法描述1 9 3 2 1 分布式贪婪算法( d g a ) 1 9 i i i 雨京邮电火学硕：l z i ) f 究生学位论文 目录 3 2 2 分布式公平算法( d f a ) 2 0 3 2 3 随机分布算法( r d a ) 2 0 3 3 基于列表着色的算法改进2l 3 3 1 协作分布式贪婪算法( c d g a ) 2 1 3 3 2 分布式效益公平算法( d b f a ) 2 3 3 4 算法仿真及结果分析一2 4 3 4 1 仿真参数及性能衡量指标2 4 3 4 2 仿真结果及分析2 5 3 5 本章小结一2 8 第四章基于颜色敏感的图论着色算法2 9 4 1 引言2 9 4 2 基于c s g c 的算法描述2 9 4 2 1m s b 准则下的算法描述一2 9 4 2 2m m b 准则下的算法描述3 0 4 2 3m p f 准则下的算法描述3 l 4 3 并行协作式最大化系统性能( p c m s p ) 算法3 2 4 3 1 算法引入3 2 4 3 2c m s p 算法原理及流程3 2 4 3 3 并行频谱分配算法3 4 4 4 算法仿真及比较3 6 4 4 1 仿真参数及衡量指标3 6 4 4 2 仿真结果及比较3 7 4 5 本章小结4 0 第五章移动认知网络中的分簇算法4 l 5 1 引言一4 1 5 2 认知无线电网络中分簇的意义4 1 5 3 移动认知网络中的分簇算法概述4 2 5 3 1 基于节点i d 的分簇算法4 2 5 3 2 最高节点度( m d e ) 算法4 3 5 3 3 最低移动性算法4 3 i v 南京i l l g t g 大学顾十研究生学位论文 目录 5 4 一种基于c r n 的组合加权分簇算法4 3 5 4 1 算法提出4 3 5 4 2 相关定义与假设4 4 5 4 3c w c 算法的基本原理一4 4 5 4 4 算法的步骤及流程4 5 5 5 仿真结果及性能比较一4 6 5 5 1 算法性能衡量指标4 6 5 5 2 仿真参数及结果分析4 7 5 6 本章小结5 0 第六章总结与展望5 1 致谢5 3 参考文献5 4 研究生期间发表论文5 8 v 南京邮f 乜大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 认知无线电概述 1 1 1 认知无线电的产生背景 第一章绪论 当前无线通信技术发展迅猛，尤其是无线局域网( w l a n ) 技术、无线个人域网络 ( w p a n ) 技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网，使得无线 频谱成为越来越紧缺的资源，尤其是信号传播特性比较好的低频段，频谱利用率极低儿引。 频潜资源的缺乏已成为无线应用研究过程中不得不面临的问题。 文献【3 】 4 】给出，目前无线网络普遍采用固定分配的方式，即将某一无线频谱块分配给 某一特定的无线接入网络，只有拥有授权的用户才能使用，称之为授权频段。即使授权用 户在某一时间、地点没有使用授权频谱，其他非授权用户也不能使用该频段，如广播电视 频段等。与之对应的称为非授权频段，所有用户都可使用该频段。这种固定频谱的分配方 式管理简单，但频谱的利用率极低，造成了很多频段没有充分利用。 图1 1 提高频谱利用率方式 为了解决频谱资源不足的问题，目前的方法主要有两种，如图1 1 所示，一种是在现 有的通信网基础上采用更为先进的技术，如链路自适应技术、信道编码技术、智能天线技 术、正交频分复用技术( o f d m ) 等【5 】，但是这些技术在无线频谱上所能达到的速率始终 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一帝绪论 会受到香农定理的理论限制，不能从根本上解决频谱资源不足的问题。另一种是研究新的 频谱共享技术，通过改变现有的频谱使用方式，对已授权的频段进行再次利用，实现频谱 资源的共享，认知无线电技术( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 就是其中的一种。认知无线电技术 的出现使得对频谱的“二次利用”成为可能，为缓解当前频谱资源紧张、实现频谱动念管 理以及提高频谱利用率开创了崭新的局面，被预言为未来最热门的无线技术之一。 1 1 2 认知无线电的定义 认知无线电概念是由j o s e p hm i t o l a 博士在其1 9 9 9 年发表的论文【6 】中基于软件无线电技 术提出的，论文中率先给出了有关认知无线电的相关定义。2 0 0 0 年m i t o l a 在其博士论文【7 】 中提到“认知无线电是这样一个观点，即在无线资源和相关的计算机与计算机之间通信方 面，无线个人数字助理和相关的网络具有足够的计算智能”。m i t o l a 博士认为认知是指无线 电必需具有自我感知能力，能了解其工作环境的基本状况，并使用无线电标识语言( r k r l ： r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ) 与其他的实体进行通信，从而实现无线电的控 制问题。m i t o l a 博士描述的认知无线电，当其决定改变运行参数时，会考虑到无线节点和 网络观察到的每一个可能参数。 由于通信系统对频谱资源需求的不断增加，美国联邦通信委员会( f c c ) 开始重新考 虑新的频谱管理政策，并给认知无线电一个狭义的定义，为业界所广泛接受。f c c 认为“认 知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射机参数的无线电设备。认知无线电的 主体可能是软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s ) 设备，但对认知无线电设备而言，不一 定必须具有软件或者现场可编程的要求”【8 】【9 1 。 国际电信联盟i t u 将认知无线电定义为：可感知或了解其操作的环境，从而动态、自 治地调整其参数的无线电或系统称为认知无线电【l0 1 。 从以上定义可以看出，认知无线电可感知自身所处的无线通信环境，并具有一定的学 习能力，可以实时、自适应地改变系统的工作参数，从而在任何时刻、任何地点实现可靠 地通信。认知无线电的核心思想就是无线通信设备具有发现授权频段中“空闲频谱”的功 能，并通过一定的分配原则合理的使用该“空闲频谱”，从而有效的提高频谱的利用率和 通信的可靠性。 1 1 3 认知无线电的应用 认知无线电技术以其巨大的技术优势，其应用领域也相当广泛，主要有以下几个方面： 南京邮电人学硕二l 二研究生学位论文 第一章绪论 1 在超宽带( u w b ) 系统中的应用 u w b 被认为是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术，也是与认知无线电应f j 景紧密相关的一项技术。u w b 具有传输速率高、系统容量大、功耗低和抗干扰能力强等 优点，由于其信号波形分布在很宽的频域内，不可避免地与现有的、已申请了频率使用权 的窄带无线电系统重叠，从而使如何解决共存和兼容问题成为必需。因此在u w b 系统中 基于c r 的合作共存算法研究较多。在实际应用中，y a m a g u c h i 等人实现了在m b o f d m 系统中采用主动干扰消除算法，并得出了采用m b o f d m 技术更适合在c r 技术中应用的 结沦，二者的结合能有效抑制窄带干扰，显著地改善频谱共享的问题，并对整个u w b 系 统的传输速率有明显的提高【l l 】【1 2 】。 2 在无线区域网( w r a n ) 中的应用 i e e e8 0 2 2 2 工作组，即无线区域网工作组已经将c r 技术确定为其核心技术，并制定 了相关的功能需求标准【1 3 】。w r a n 工作组利用c r 技术将分配给广播电视的v h f u h f 频 带作为宽带接入信道【1 4 】。该组织定义一种点到多点的无线空中接口，该接1 ：2 1 基于c r 基站 管理自己小区内的认知用户。对于物理层的要求是在保持低复杂性的同时提供很高的性 能。主要表现在b s 能够根据接收到的s n r 动态的调整编码和调制方式，同时还要保证不 对现有的广播电视业务造成干扰。在m a c 层上，需要利用c r 技术提供共享t v 频段所需 的算法功能，这种功能在现存的无线m a c 协议中并未涉及到。另外，为了避免和解决排 列及重叠覆盖，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【i 5 | 。 3 在m e s h 网中的应用 m e s h 网是近年来出现的全新的网络结构，它能够白组网、自愈、自均衡，可靠性很高， 是近年来发展比较快的一个网络。网络中的每个节点都可以与一个或者多个对等节点直接 通信，该网络采用无线多跳结构组网。在未来网络需求增大和服务要求提高的情况下，无 线m e s h 网络需要更高的处理能力。而c r 技术能提高频谱的利用率，将c r 技术和无线 m e s h 网络的结合还可以用于人口稠密城市的无线宽带接入，c r 网络和m e s h 网络的融合 必然能够扩大m e s h 网络的覆盖面积，全面提升无线网络的质量【l6 | 。 4 在w l a n 中的应用 基于i e e e8 0 2 1l b g 和i e e e8 0 2 1 1 a 的无线局域网设备工作在2 4 g h z 和5 8 g h z 的免 授权频段上。然而在这个频段上，可能受到包括蓝牙设备、r f 设备、微波炉、无绳电话以 及其他一些工业设备的干扰。具有认知功能的无线局域网可以通过接入点对频谱的不间断 扫描，识别出可能的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，自适应地选择 南京邮电大学硕七研究生学位论文第一章绪论 最佳的通信信道。此外，具有认知功能的接入点在进行不问断正常通信业务的同时，通过 认知模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，可以尽快发现非法的恶意攻击终 端。另外，c r 技术可以进一步增强通信网络的性能和安全性。 1 2 认知无线电的关键技术 1 2 1 频谱检测技术 由于c r 用户是在授权网络中寻找“空闲频谱”，因此相对于授权用户其具有更低的频 谱接入优先权。为了不对授权用户造成干扰，c r 用户必须自己能够独立的检测出空闲频 谱及授权用户的出现。因此，c r 用户需要实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性【 】。 这就是c r 的频谱检测技术，是c r 用户进行正常通信的前提和保障。 现阶段用于频谱检测的方法主要有：能量检测、循环平稳信号的谱相关检测和本地振 荡器的能量泄露检测【1 8 】【1 9 】【2 0 1 。 能量检测属于非相干的检测手段，首先把接收信号做f f t 变化，转换成频域，然后再 对频域信号求模平方得出接收信号的能量。最后通过与预先设定的判决门限做比较，如果 超过判决门限就认为在该频段内有授权用户的存在，否则c r 用户就可以使用该频段。能 量检测示意图如图1 2 所示。 叫t 吨三 她) 堕 至习二二卜 图1 2 能量检测过程示意图 在图1 2 中，工( f ) 表示需要检测信号的时域表达式，工( 尼) 为抽样后的信号。能量检测 可以不需要知道信号的先验知识，实现也比较简单。但是，它的判决门限比较难以确定， 且信号时常淹没在噪声中，难以区分认知用户和噪声。 循环平稳信号的谱相关检测，是利用信号周期性的特点来区分认知信号和噪声，因此 它的优点是其信号特性离散地分布在循环谱的频率范围内，而背景噪声和干扰在非零循环 频率处不会呈现谱相关特性，因而具有较高的识别能力。但是，它的缺点是要进行两次傅 立叶运算，计算量很大。 本地振荡器的能量泄露检测，该方法由信号由高频转到中频时使用本地振荡器而得 。 名。本地振荡器的作用就是将射频信号的射频带宽降低到一定的中频带宽。在频率转换的 过程中，利用传感器节点在主用户接收机附近接收振荡器泄露的能量，通过这些泄露的能 量判断接收机正在使用的信道情况，最后将这些情况由传感器反馈给c r 系统。这种检测 南京邮电火学硕士研究生学位论文第一章绪论 手段有一定的主动性。 此外，最新的研究表明采用物理层和m a c 层联合侦听的跨层设计方法可以很好的提 高频谱的检测能力【2 。这种方法通过增强无线射频商，j 端的灵敏度、利用数字信号处理增益 且及用户间的合作来提高检测能力，越来越受到人们的关注。 1 2 2 频谱分配技术 频谱分配是指根据需要接入到授权频谱的认知用户数目及其服务要求将可用频潜分 配给一个或多个特定的用户。频谱分配的实质是合理的利用和选择“空闲频潜”，使现有 的频谱资源最大化利用，并保证分配的公平性和开销的合理性。由于授权用户的多样性， 使得“空闲频谱”在时间上是动态变化的，这就决定了认知无线电必需采用动态的频谱分 配才能通过识别频谱空穴来实现c r 用户与授权用户的频谱共享。 现阶段频谱分配采用的方法有许多，主要有基于图着色理论模型、基于博弈论模型、 干扰温度模型等等。由于本文主要研究的是频谱分配技术，具体的算法和实现将在下面章 节中详细介绍。 1 2 3 功率控制技术 功率控制是认知无线电网络研究中的一个关键技术，是认知无线电研究领域的热点问 题。在认知无线电系统中实现频谱的共享最重要的原则是不对授权用户造成干扰，因此对 认知用户的功率控制就显得十分的重要，合理规划和分配每个分布式c r 用户的功率是功 率控制主要考虑的问题。 在认知无线电环境中，认知用户公平的共享频谱资源，存在q o s 需求的差异，体现 在s i r 阀值的不一，功率控制算法以满足用户公平性为基础，通过对用户功率的有效控制， 实现用户q o s 的性能需求【2 2 】。通过功率控制将认知无线电用户的功率控制在足够低的范 围内，才能避免对授权用户的有害干扰。但是，过低的发射功率却可能导致认知无线电用 户的通信受阻，或是认知无线电用户的q o s 下降。因此，在保证不对授权用户产生有害 干扰的条件下，还应保证认知无线电用户的q o s 。以上可见，通过功率控制，认知无线电 用户才能在避免对授权用户产生有害干扰的同时有效地进行通信，从而提高频谱利用率。 目前，关于认知无线电网络中的功率控制研究取得了很大的成果。根据不同的应用场 景，现有的认知无线电网络中的功率控制算法可以分为以下两大类：分布式功率控制和集 中式功率控制【2 3 】。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 如图1 3 所示，分布式场景下的功率控制策略大多以博弈论为基础考虑2 4 1 ，也有参考 传统的a d h o c 网络中的功率控制方法，从集中式策略入手，再将集中式策略转换成分布 式策略【2 5 】。集中式场景下的功率控制策略大多会利用基站能集中处理信息的便利，采取联 合策略，将功率控制与频谱分配结合或是将功率控制与接入控制联合考虑。 图1 3 认知无线电网络中的功率控制算法分类 当前，认知无线电系统中功率控制的实现主要以分布方式进行的，这样做的目的是尽 可能的扩大工作范围，提高接收机的性能。在多址接入信道环境中，主要采用协作机制方 法，多用户间彼此协作工作，这样可以提高系统的工作性能，支持更多用户接入。在限制 网络资源的情况下，用户之间的竞争同样可以提高信道传输的性能。 1 3 认知无线电国内外研究现状 由于认知无线电的众多优越性，自其概念推出以后，在世界各地受到了广泛的关注。 许多优秀的研究机构和学校都积极加入到该项技术的研究中，产生了众多代表性的研究成 果。各国的科研人员在相互的合作研究中发挥的协作精神，极大地推动了认知无线电技术 的发展与完善。 美国电气电子工程师学会i e e e ，专门为认知无线电组织了i e e ed y s p a n 国际会议 ( i e e es y m p o s i u mo nn e wf r o n t i e r si nd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sn e t w o r k ) 用来交流认知无 线电的发展成果。同时该组织于2 0 0 4 年成立了8 0 2 2 2 - i - 作组，目标在于开发通过认知无 线电技术，在不对t v 用户产生干扰的方式下使用t v 广播频段，完成了无线区域接入网 ( w r a n ) 的物理层和m a c 层的技术标准。 美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 为了实现对频谱资源的有效的利用，启动了下一 代项目( n e x tg e n e r a t i o np r o j e c t ) ，该计划目标是使得美国军用通信设备可以检测坏境变化， 并根据所处环境的频谱管理政策选择频谱。该项目包括两个方面：一是开发提供择机频谱 接入的技术；二是通过灵活的政策，开发应用与管理无线行为关键方面的长期管理框架。 6 堕室坐! ! 盔堂堡主里! 窒生堂堡垒塞 笙二童笪堡 如何检测并拙述无线电环境，辨认可用频谱以及合理分配频谱构成了整个x g 项目的研究 核心。 微软亚洲研究院和美国加州大学圣巴巴拉分校的h a i t a oz h e n g 教授的研究组合作的 n a u t i l u s 项目，对研究认知无线电的研究频谱分配算法起到了很大的推动作用。该项目的 研究目标是通过不依靠中心控制的方式实现分柿式的频谱共享。n a u t i l u s 项目中提出了一 个分布式、可伸缩并能够进行有效协调的开放频谱接入网络框架，在该框架下用图论着色 ( g r a p hc o l o r i n g ) 理论的方法协调频谱接入。并针对移动网络拓扑随节点移动不断变化的 特点提出基于局部议价( l o c a lb a r g a i n i n g ) 的分布式频谱分配方法，通过移动用户的局部 自组织构成小组，在组内协调频谱分配。该方法是频谱分配理论中经典的方法之一。 在国内，国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 2 0 0 5 年7 月成立课题组研究认知无 线电技术，全国十余所重点高校参与了课题的研究，课题涉及了认知无线电物理层和m a c 层关键技术、协议体系结构、应用场景分析等方面，对认知无线电技术的发展做出了重要 的贡献。 1 4 本文的研究工作及论文的结构安排 在认知无线电的技术研究中，频谱分配是其中的热点。本论文主要研究的是认知无线 电系统中的频谱分配算法。目前在频谱分配的研究方面，主要的分配算法有基于图论的分 配算法、博弈论算法、竞价拍卖算法等。 本文首先主要对经典的图论算法进行研究，主要从列表着色算法和颜色敏感度算法两 方面入手，在分析了现有的分配模型和算法的基础上，对原有算法进行部分改进，并仿真 证明改进后的算法性能优于经典算法。最后，结合a d h o c 网络中移动用户的分簇理论， 将其应用在认知无线网络中，研究认知无线网络中的分簇算法。论文的主要安排如下： 第二章主要介绍了认知无线电的频谱分配理论，包括频谱共享理论和具体的频谱分配 算法模型：图论着色模型、博弈论模型、干扰温度模型、投标竞价模型，文中分析并比较 这几种算法的原理并给出了具体的适应场合。 第三章介绍首先介绍了三种传统的列表着色算法d g a 、d f a 、r d a 的原理和算法表 达式，然后针对他们的不足，对其中的d g a 、d f a 算法分别加入干扰限制和信道效益权 值因素参与频谱分配，通过仿真比较验证其性能在吞吐量和公共性方面的优越性。 第四章介绍了基于颜色敏感的图论算法c s g c ，首先介绍了c s g c 的原理和三个准则 下的六个算法的描述和标号表达式。在此基础上，提出协作式最大系统性能c m s p 算法， 7 南京邮电火学硕- ：a i ) f 究生学位论文第一章绪论 该算法可以在满足最高带宽总要求的同时保持系统的公平性。最后通过引入并行算法，使 得新算法的通信开销大大减少，能够满足认知无线电系统空闲频谱快速时变的要求。 第五章主要根据a d h o c 网络中移动用户的分簇理论，将分簇应用在认知无线网络中， 研究在认知无线网络中对认知用户进行分簇的算法。通过分簇可以更好的管理频谱资源和 实现快速频谱分配。 第六章总结全文工作，并展望认知无线电系统中关于频谱分配的下一步研究方向。 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文 第二章认知无线r 【i 系统的频i 分配理论 2 1 引言 第二章认知无线电系统的频谱分配理论 自从认知无线电的概念提出以来，对认知无线电技术的研究也就越来越深入，逐渐成 为通信行业的热点问题。认知无线电的提出就是为了有效的解决频谱资源稀缺和利用率低 0 下的问题，频谱共享的核心就是机会式频谱接入，如何分配和管理这些“空闲频潜”则显 得十分的重要。 因此，对频谱进行合理的分配就成为必须，只有这样才能做到在不对主用户进行干扰 的同时最大化空闲频谱的接入。认知无线电系统中的频谱分配研究包括频谱分配方式、策 略设计、分配算法设计等等，另外还涉及到协议栈中的多层协议之i 、日j 的协调工作，并且与 网络结构和控制方式有关。 认知无线电系统的频谱分配根据分配规模的大小可分为小区内的分配和小区问的分 配。小区内的分配表现为体现各认知用户频谱分配的公平性和获得较高的利用率，现阶段 关于小区内频谱分配的研究已经取得了很多成果。小区间的频谱分配主要体现为在多个小 区之间解决频谱资源竞争的问题，同时认知系统整体性能的提高需要在各个小区之间进行 协作，从全局上把握对资源的高效利用。 本章第二节首先介绍频谱共享理论，主要包括共享步骤和共享方式的分类。随后着重 介绍包括基于图着色理论、博弈论等经典的频谱分配模型，其中图着色理论模型是本文研 究的重点，改进的算法设计也是在经典算法的基础上产生的。 2 2 认知无线电系统中的频谱共享 认知无线电网络中，开放式频谱系统的主要挑战之一是频谱共享。本节将详细介绍频 谱共享的步骤以及频谱共享方式分类。 2 2 1 频谱共享过程 相比现有的无线系统中的频谱共享，认知无线电网络中频谱共享的实现有着不同的步 骤和方法，主要有以下5 个具体步骤： ( 1 ) 频谱检测：由于认知用户只能占用主用户未使用的频段，并且不能对主用户即 9 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章、认知无线i 【l 系统的频谱分配理论 将使用的频段产生干扰，即能随时让出自己所占用的频段，这就要求认知用户 必需具有时刻检测周围频谱使用情况的能力。频谱检测的相关手段上一章已经 有过介绍，不再赘述。 频谱分配：节点的频谱分配也叫信道分配，分配模型的掌握足进行算法设计的 前提。下一节将重点介绍分配的模型。 频谱接入：频谱接入的过程同时也是资源分配的协调问题，优先级的设定可以 有效的防止多用户同时接入时造成的碰撞。 发射机、接收机握手协议：合理的发射机接收机握手机制，可以保证有效的通 信，提高接入成功率。 频谱移动：当主用户突然需要使用自己的频段时，认知用户必须迅速的转移到 另一个空闲频段，以方便主用户使用。这个过程中，应保持认知用户通信继续 并尽量减少通信时延。 2 2 2 频谱共享方式 随着认知无线电研究的深入、认知无线电概念的扩展，共享方式的分类也越来越细化， 文献 2 3 2 6 】都对这种灵活高效的利用有限频谱资源的方式做了较为详尽的阐述和总结。最 初的研究中比较简单的频谱共享方式分为垂直共享和水平共享2 7 】【2 8 】。 斤斗，厂、v 、 授权频段1u 入iul l oc o 授权频段2 厂 1 - j 公共频段 追呈烂 口 o 主用户 c r 用户 图2 1 认知无线电系统频谱共享示意图 图2 ，l 为典型的认知无线电系统共享示意图。由图可以看出用于c r 接入的频谱不仅 1 0 ) ) ) ) 2 3 4 5，l，l，l ， 南京邮i 也人学硕_ 上研究生学位论文第二章认知无线电系统的频谱分配理论 包括公共免执照频段( u n l i c e n s e db a n d ) 也包括主用户不使用的授权频段( l i c e n s e db a n d ) ， 这也就是所谓的水平共享和垂直共享。 水平共享方式在免执照频段内共享使用频谱，各用户之问没有优先级差异，当然也不 存在主用户和次用户之分。在这种方式下的资源分配更多是存在一种竞争且合作的关系， 对该共享方式下的各用户而言，其主要的挑战就是如何在水平共享时避免频曙使用的冲 突。同时，相互协调的使用策略在这其中也是必需的。水平共享方式下的研究主要集中于 频谱礼侧2 9 1 、系统问共存策略的研究。 而对于垂直共享方式，由于c r 用户利用的是主用户的已授权频段，因此频段分配竞 争不仅存在于各个c r 用户之间，更重要的是要受到主用户( 授权用户) 的限制。c r 用户 是在主用户暂时不用的频段上进行通信，其优先级别低于主用户，c r 用户在保证自身通 信的同时必须保证不对主用户的通信产生干扰。当主用户系统从空闲转入运行后，在其需 要使用频谱资源时，认知无线电系统也必须无条件归还。认知无线技术的核心问题就是尽 可能的提高认知无线电网络的频谱利用效率，并在其过程中研究如何确保主用户系统不受 干扰。在本文涉及的频谱分配理论，主要是在垂直方式下进行分析和研究的。 随着研究的深入，对认知无线电频谱共享的分类也越来越清晰，这样也便于对认知无 线电进行研究。进一步的分类主要涉及网络结构、分配行为、接入方式三个方面。 图2 2 动态频谱共享方式分类 图2 2 表示了从三个方面划分频谱共享方式的分类情况。首先从网络结构上，频谱共 享分为集中式和分布式，在频谱检测中同样也分为集中式和分布式。集中式有中心实体控 制频谱分配和接入过程。分布式结构则要求每个节点独立的观测确定频谱的分配和接入。 分配行为是频谱分配理论的重点之一，按照分配行为的不同可将频谱共享分为合作式 l l 南京邮电大学硕- 2 r o f 究生学位论文第二章认知无线i 乜系统的频讲分配理论 和非合作式。所谓合作式，就是共享的同时需要考虑本节点通信对其他节点的影响，即表 明每个节点都不是独立存在的【3 l 】。所有的集中式共享方式均是合作式的，分布方式不一定 都是非合作式的。非合作式各节点具有独立特性，根据自己的需求进行频带分配和管理， 各节点最大化自己的效益，某种程度上使得频谱利用率得到提高，但往往有失公平性。 接入方式是指频谱为用户所利用的途径，分为填充式( o v e r l a y ) 和下挚式( u n d e r l a y ) 3 2 1 。填充式要求认知用户选择主用户没有使用的频谱进行通信，从而对主用户系统的干扰 最小。基于下垫式的频潜共享技术，要求认知无线电用户把传输功率扩展到全频带上，如 c d m a 和u w b 系统。认知节点在获得频谱分配图的同时立即开始传送，它的传输功率被 主用户看作是噪声，因此该方式需要精细的频谱扩展技术，相对于填充式它所需要的频谱 资源更多【3 3 】。 2 3 认知无线电的频谱分配算法模型 认知无线电频谱分配技术作为认知无线电技术中的重要组成部分，受到了越来越多的 关注，研究也越来越深入。频谱分配算法的模型主要有图论着色模型、博弈论模型、干扰 温度模型、竞价拍卖模型。 2 3 1 图论着色模型 基于图论着色理论的频谱分配模型在移动蜂窝通信时代已经用于小区的频谱分配，是 一种比较成熟的模型。文献 3 4 】对图论着色理论模型给了具体的描述，在认知无线电理论 中引入图论的模型，就是要利用图的着色理论为c r 用户进行频谱分配。 利用图论进行频谱的分配首先应了解图与图着色理论。图( g r a p h ) 是指有由三个元 素( v ，e ，f ) 组成，其中v 为顶点集合( v e r t e x s e t ) ，e 为边集合( e d g e s e t ) ，f 为边与顶点之 间的关联关系集合( i n c i d e n tf u n c t i o n ) 。若f 为有序对，则称g = ( v ，e ，f ) 为无向图。反之 称g 为有向图，这就是图的概念。图着色就是指对图g 中的顶点就行着色，假设m 为颜 色个数，对顶点数为n 的图g 进行着色，着色后要求没有相同的邻接点( 同一条边连接的 两个点着不同的颜色) ，这就是对g 的顶点着色过程( v e r t e xc o l o r i n g ) 。使图g 全部顶点 着色的颜色的最小个数称为g 的色数。 在认知无线电系统中引入图论进行频谱分配，首先应该将认知用户组成的网络抽象成 图，将待分配的频谱抽象成颜色。图中的顶点代表c r 用户，每一条边代表一对顶点之间 的冲突关系，若两个顶点之i 、日j 有一条边连接则表示着两个顶点不能着同样的颜色，即这两 1 2 南京邮i u 人学硕士研究生学位论文第二章认知无线l u 系统的频谱分配理论 个节点不能分配相同的频谱。另外，将每一个顶点与一个集合相关联