（通信与信息系统专业论文）认知无线电中基于模型的频谱分配算法.pdf

_ i 、 t ， - c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： iijii f i iiii i ii i l l r f f j l li i iiriiiillriiiiiiiiir l l l y 18 0 8 6 4 7 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g f r e q u e n c ys p e c t r u ma s s i g n m e n tt e c h n o l o g y b a s e do nm o d e li nc o g n i t i o nr a d i o c a n d i d a t e ： w a n gx i a o g u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x iz h i h o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d a t eo fs u b m is s i o n ：j a n u a r y ，2 01 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：仰钆 日期：p 少年弓月压日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：减0 日期：秒，啤3 月细 导师( 签字) ：狒涉 1 一，j 年j 月，g 日 1 j 一 膏 蚶 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 随着无线通信技术在社会各个领域的广泛应用，无线频谱资源已经成为 当今社会最重要的资源之一。同时频谱资源的稀缺与它的平均利用率低之间 的矛盾也越来越突出。认知无线电技术可以通过对周围环境的感知，探测可 以利用的频谱资源，有效的提高了系统频谱利用率，解决了上述矛盾。认知 无线电频谱分配技术是认知系统中的关键技术，通过合理分配，有效利用了 频谱资源，对改善认知无线电系统的性能起到关键作用。 本文主要从频谱分配模型方面着手，对认知无线电系统进行了全面深入 的研究。首先对中心式结构模型进行了分析和研究，随后对现有的几种经典 分配算法进行了总结分析。针对现有算法系统时间开销大、频谱效用低等不 足，提出了基于子信道划分的动态频谱分配算法，最后从系统的开销时间、 系统效用、公平性等方面对各种算法进行了仿真比较分析，并对其实际的适 用性进行了总结。 随后针对认知无线电中干扰温度模型存在的缺陷，提出了一种基于 m i m o o f d m 技术的动态频谱分配方案。该方案通过对干扰温度模型的改 进，实现了认知信号的自适应频谱成型，并提出了一种新的动态功率分配算 法。仿真结果表明，该方案能够克服干扰温度模型的局部干扰问题，使用 m i m o 技术可进一步提高系统性能，通过动态功率分配算法可降低计算复杂 性并提高频谱利用率。 关键词：认知无线电；动态频谱分配；动态功率分配；干扰温度模型 0 ， 遵 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fw 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 yi nt h ea r e a so f s o c i e t y , t h er a d i os p e c t r u mr e s o u r c eh a sb e c o m et h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e s o u r c ei nm o d e ms o c i e t y a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h e s c a r c i t yo fs p e c t r u mr e s o u r c e sa n di t sl o wa v e r a g eu t i l i z a t i o nr a t eb e c o m em o r e a n dm o r ep r o m i n e n t b yp e r c e p t i o no ft h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t , c o g n i t i v e r a d i ot e c h n o l o g i e sd e t e c ta v a i l a b l es p e c t r u mr e s o u r c e s ，t h e ni m p r o v et h es y s t e m s p e c t r a le f f i c i e n c ye f f e c t i v e l y c o g n i t i v er a d i os p e c t n m aa l l o c a t i o nt e c h n o l o g yi s t h ek e yt e c h n o l o g yo fc o g n i t i v es y s t e m s ，t h r o u g ht h er a t i o n a la l l o c a t i o n ，w h i c h h a su s e dt h ef r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c e se f f e c t i v e l y , a n dh a sp l a yak e yr o l ei n t h ei m p r o v i n go ft h ep e r f o r m a n c eo fc o g n i t i v er a d i os y s t e m s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h es p e c t r u mm o d e l so fc o g n i t i v er a d i os y s t e m f i r s t l y , c e n t e r - t y p e m o d e lw a sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e d s e c o n d l y , s e v e r a l c l a s s i c a la l l o c a t i o na l g o r i t h m sw e r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d i nv i e wo ft h e e x i s t i n ga l g o r i t h m si n s u f f i c i e n c y , t h i sp a p e rp r o p o s e s ad y n a m i cf r e q u e n c y a i l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns u b c h a n n e ld i v i s i o n a tl a s t ，s e v e r a la l g o r i t h m s w e r ea n a l y z e di na s p e c t sf r o mt h es y s t e m se x p e n s e st i m e ，e f f e c t i v e n e s sa n d f a i r n e s s t h ea l g o r i t h m sp r a c t i c a l i t yw a ss u m m a r i z e d i no r d e rt os o l v et h es h o r t c o m i n go f t h ec o g n i t i v er a d i oi n t e r f e r e n c e t e m p e r a t u r em o d e l ，a d y n a m i cs p e c t r u m a l l o c a t i o n p r o g r a m b a s eo n m i m o o f d mw a sp r o p o s e d t h i sp r o g r a mi m p r o v e s t h ei n t e r f e r e n c e t e m p e r a t u r em o d e l ，c o g n i t i v es i g n a l a d a p t i v ef r e q u e n c ys p e c t r u m f o r m a t i o n r e a l i z a t i o n an e wd y n a m i cp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sp r o g r a mc a no v e r c o m el o c a li n t e r f e r e n c ep r o b l e m so ft h e i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r em o d e l t h eu s eo fm i m ot e c h n o l o g yc a n f u r t h e r ) 窖 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e a n di tc a nr e d u c ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n d i m p r o v es p e c t r a le f f i c i e n c yt h r o u g hd y n a m i c p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m k e yw 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 l l o c a t i o n ；o y n a m i cp o w e r a l l o c a t i o n ；i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r em o d e l ； 、 一 ， 1 ， ) l 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 目录 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究背景和意义。1 1 2 1 认知无线电的产生和意义1 1 2 2 认知无线电的发展现状3 1 2 3 认知无线电网络的应用。4 1 3 论文的主要研究内容5 第2 章认知无线电系统频谱分配模型7 2 1 认知无线电系统7 2 1 1 认知无线电系统的主要任务7 2 1 2 认知无线电系统的频谱共享模型1 0 2 2 认知无线电网络中的动态信道分配策略1 2 2 2 1 频谱分配技术的分类1 3 2 2 2 频谱分配技术的原则15 2 3 认知无线电的频谱分配模型1 6 2 3 1 0 ，l ”模型1 6 2 3 2 干扰温度模型1 7 2 3 3 中心式结构动态信道分配模型1 9 2 4 频谱分配的其它常见模型2 2 2 4 1 拍卖竞价模型2 2 2 4 2 博弈论模型2 3 2 5 本章小结2 4 第3 章基于中心式结构的动态频谱分配算法2 6 3 1 中心式动态频谱分配技术的引入2 6 3 2 中心式结构动念频谱分配技术的数学模型2 7 3 2 1 系统场景描述2 7 哈尔滨下稗大学硕十学付论文 3 2 2 系统模型的数学描述2 9 3 3 现有的信道分配算法3 0 3 3 1 列表着色( l i s t c o l o r i n g ) 算法。3 0 3 3 2 协调式最大化系统总带宽( c m s b ) 算法3 3 3 3 3 协调式最大化比例公平( c m p f ) 算法3 5 3 3 4 算法小结3 6 3 4 基于子信道划分的动态频谱分配算法3 6 3 4 1新算法提出的背景3 6 3 4 2 新算法的基本原理3 7 3 4 3 算法仿真结果4 0 3 5 本章小结4 8 第4 章基于干扰温度模型的动态功率分配算法5 0 4 1 引言5 0 4 2 干扰温度模型的改进5l 4 2 1 基于m i m o o f d m 技术的系统模型5 1 4 2 2 干扰温度模型的改进方案5 4 4 3 动态功率分配5 5 4 4 仿真分析5 9 4 5 本章小结：6 2 结论“ 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 1 致谢。7 2 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 1 1引言 第1 章绪论 随着无线通信技术的发展与广泛应用，有限的频谱和低效固定的频谱分 配使用政策导致频谱资源匮乏。认知无线电是一种智能频谱共享技术，它能 真正识别工作环境、调整工作条件、克服干扰、维持所需通信，是一项革命 性的技术，它的实现是对通信产生革命性的改革i 。 认知无线电的基本出发点就是：在不影响授权频段的正常通信的基础上， 具有认知功能的无线电通信设备可以按某种“机会方式( o p p o r t u n i s t i cw a y ) 2 1 接入授权的频段内，并动态的利用频谱。这种在空域、时域和频域中出现 的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空穴( s p e c t r u mh o l e s ) 【3 】。认知无 线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空穴 并合理利用的能 力。 目前，正在研究的一种利用空闲频谱资源的策略称为“频谱池系统 ( s p e c t r u mp o o l i n g ) 力1 4 1 1 卯，在频谱池系统中，授权频段的拥有者称为“主 用户( p r i m a r yu s e r ) ，具备认知功能，以机会方式接入频谱的用户称为“认 知用户( s e c o n d a r yu s e r ) ”，认知用户可以以机会方式使用空闲频谱，并避 免对主要用户的干扰。主要用户对授权频段具有最高的优先权，一旦该频段 的主要用户出现，认知用户必须及时腾出信道给主要用户。 1 2 课题研究背景和意义 1 2 1认知无线电的产生和意义 认知无线电”这个词最早是由j o s e p hm i t o l ai i i 在1 9 9 9 年创造的【6 l i 7 1 。 他描述了认知无线电怎样通过一种称做“无线电知识表达语言”( r k r l ) 的 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 新语言来提高个人无线电业务的灵活性。随后，m i t o l a 的博士论文【8 】这样描 述认知无线电：无线数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面具有充 分的计算智能来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电 资源和无线业务。这被认为最终会演进成一个扩展的软件无线电( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) 平台一个能根据网络或用户要求完全重新配置通信功能、 参数的无线黑盒子。 m i t o l a 博士提出认知无线电是软件无线电的特殊扩展。认知无线电通过 分析接收到的能提供环境辨识信息的信息流观察它所处的环境，这些信息流 主要包括无线电广播、短距无线广播及射频l a n 等。在m i t o l a 的认知无线 电理论中，在作出改变运行参数的决定的时候，无线节点和网络观察到的每 一个可能的参数都被考虑到，所以m i t o l a 的认知无线电通常被称为“全认知 无线电 。然面，到目前为止，这样的认知无线电还没有被实现过。 当今的无线网络采用的是固定频谱分配政策，即无线频谱资源的规划和 使用是由政府部门制定的，收发机对它的使用需要得到政府的许可。然而， 各国的无线电法规规定部门，比如美国联邦通信委员会( f c c ) 发现无线频 谱资源并没有得到充会利用【9 】1 1 0 l 。f c c2 0 0 3 年底的n p r m 指出目前分配出 的频段的利用率是从1 5 0 o - 8 5 不等，某些频带如移动手机网络的频带是超负 荷的，但是诸如业余无线电等相当多频段并没有得到充分使用。并且，频谱 利用率在不同的空间和时间段也是不同的。 然而，纵然授权用户很少使用分配给它们的频段，法规也限制了那些潜 在的、但没有经过授权使用频段的用户的准入。尽管固定频谱分配政策在过 去很有效，但是最近几年，无线业务急剧增长，对有限的频谱的需求也随之 剧增，这就挑战了传统频谱政策的有效性。有限的可利用频谱及频谱利用率 的低下等问题使得一种全新的、优化使用频谱的无线通信模式变得十分必要。 因此，研究者一致认为动态频谱接入是解决目前频谱低效利用的有效技术。 人们开始考虑允许没有被授权的用户在对授权用户不产生干扰的情况下 来使用已分配的频段。认知无线电技术使得对固定授权频段的有效利用成为 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 i f 可能，因此被认为是解决无线频谱资源浪费的有效方法之一。认知无线电技 术是- i 1 智能的无线通信技术，该系统的用户能够对周围的无线环境进行感 知，通过感知，能够检测出周围频谱是否空闲，还能检测到授权用户目前在 使用哪段频谱，这样就可以自适应的调整接入的频谱范围，以避免造成对授 权用户的干扰。这样既可以解决非授权用户的不能接入的问题，也提高了分 配给授权用户的固定频段的频谱利用率。 1 2 2 认知无线电的发展现状 随着认知无线电的发展，世界各国的频谱管制部门、标准化组织、研究 机构和行业联盟纷纷开展相关的研究。c r 技术对现有的无线频谱固定分配 制度提出了挑战，对此，一些频谱管制部门( 如f c c 等) 给予了积极支持。 2 0 0 2 年1 2 月，f c c 指出非授权频段制备应具备能够识别未占用频段的能力； 2 0 0 3 年1 1 月，f c c 公布了使用认知无线电技术促进频谱利用的通知，就 f c c 规则第1 5 章( f c cr u l ep a r t1 5 ) ( 相当于美国的电波法) 进行了修 订，并正式成立了认知无线电工作组；2 0 0 4 年5 月，f c c 建议认知无线电可 以t v 广播频段内操作，并认为最适合应用认知无线电技术的是u h f 中分配 给电视广播业务的6 m h z 频段。2 0 0 5 年l o 月，正式批准了关于引用认知无 线电技术、使用认知无线电设备的法规。 在频谱管制部门的带动下，一些标准化组织开始研究认知无线电技术， 并先后制定了一系列标准以推动该技术的发展。i e e e 子2 0 0 4 年1 1 月j 下式成 立i e e e 8 0 2 2 2 工作组【l ，这是第1 个世界范围的基于认知无线电技术的空中 接口标准化组织。8 0 2 2 2 标准工作组于2 0 0 5 年9 月完成了对w r a n 的功能 需求和信道模型文档，2 0 0 6 年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并， 并于2 0 0 6 年3 月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础1 1 2 1 。此外，国 际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 也在研究类似c r 的频谱共享技术。 国外一些研究机构和大学也较早投入了认知无线电的研究，并发表一些 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 专著和研究成果鉴定，对认知无线电的发展起到了重要的作用。其中具有代 表性也是影响最大的是美国国防部高等研究计划署( a r p a ) 下一代通信计 划( x gn e x tg e n e r a t i o np r o g r a m ) ，于2 0 0 3 年成立x g 工作组，着眼于开发 认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准。x g 网络也叫动态频谱接入网 络和认知无线电网络，能够使多个用户通过自适应机制共享频谱，通过各种 不同的无线架构和动态频谱接入技术给移动用户提供高的带宽。2 0 0 5 年开始 的自适应自组网免费频段通信( a a f ) 项目是荷兰国家资源计划免费频段通 信( f r e e b a n dc o m m u n i c a t i o n ) 项目的一部分。它利用认知无线电技术对应急 网络( 火灾现场、空难急救现场等) 进行研究。网络采用a dh o c 分布式组网 方式。研究包括节点对应急环境中频谱的有效利用方法和相应的自组网通信 协议设计【1 3 】【1 4 1 。目前丸盯对认知无线电网络中物理层、数据链路层和网络 层协议的设计内容提出了基本要求，包括能信业务要求、功能业务要求。项 目规划至2 0 1 0 年。维吉尼亚工学院和无线难技术中心( c w t , t h ec e n t e rf o r w t r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 主要关注基于遗传算法的认知模型的研究及认 知无线电节点引擎实验床的研发：美国新泽西州r u t g e r s 大学的w i n l a b 研 究中心主要研究认知无线电算法和无线频谱的开放使用。美国加州大学伯克 利分校的无线研究中心( b w r c ，b e r k e l e yw i r e l e s sr e s e a r c hc e m e r ) 建立了 一个c o r v u s 系统，使用虚拟未使用授权频谱系统来进行研究，并建立了伯 克利仿真平台，对各种频谱侦听技术和算法进行了实验仿真和性能分析等 i s lo 1 2 3 认知无线电网络的应用 1 、农村地区 农村人口相对于城市来说密度低，目前，一些不用授权即可使用的业务， 像无线局域网、计算机无线接入因特网等现在还没有限制其功率的通信技术， 由于信号的覆盖面还不是很足，在农村还不能很高效的使用这些技术。在农 村存在着严重的频谱利用率低的现象，因此，将认知无线电技术应用到农村 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 的通信网络中，可以很好地提高传输效率。 2 、频谱租用 授权用户可以和非授权用户达成协议，在不影响授权用户通信质量的基 础上，可以将这一频段租给一些非授权用户，这样可以提高频谱的利用率。 3 、军事应用 认知无线电网络可以应用到军事领域中。它能够使军事无线电选择任意 的带宽、调制编码等机制去适应战场上复杂多变的无线环境。在军事网络中， 安全性具有重要的意义，认知无线电可以通过频谱切换去寻找安全的频带。 1 3 论文的主要研究内容 本论文总共分为五章。 第一章简单介绍了认知无线电产生的背景、历程和意义，阐述了认知无 线电的应用环境，分析了认知无线电研究现状，同时还介绍了国内外研究机 构对信知无线电的研究状况以及取得的成果。 第二章介绍了认知无线电系统的主要任务，并分别对认知无线电系统的 各种模型作了详细的介绍和分析。介绍了认知无线电频谱分配技术的分类、 原则，描述了认知无线网络下的中央式结构动态信道分配模型和分散式结构 动态信道分配模型，从问题模型、效用函数、算法设计等方面进行了详细的 阐述。介绍了干扰温度模型的原理，效用以及局部的不足。同时介绍了当前 存在的其他频谱分配模型。 第三章则重点分析了认知无线网络环境下的中央式结构动态信道分配算 法。分析了频谱分配的数学模型，并在比较讨论了几种常见的频谱分配算法 的基础上，提出了新的算法，分析了新算法的性能，给出了仿真结果，并从 系统开销时间、系统总效用以及公平性对几种算法进行了分析，比较。 第四章讨论了认知无线电中干扰温度模型的不足，通过分析，对其进行 了改进，使其克服了局部干扰，并提出了一种新的动态功率分配算法，降低 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 了计算的复杂度并提高了频谱利用率。最后通过仿真结果，从系统的频谱效 率、误比特率等方面进行了比较。 最后对全文进行了总结，并对认知无线电系统中的动态频谱分配的未来 研究方向进行了展望。 6 哈尔滨t 稗人学硕十学何论文 第2 章认知无线电系统频谱分配模型 随着认知无线电技术的发展，越来越多的研究学者对认知无线电进行了 广泛深入的研究，而认知无线电技术也被认为是解决无线频谱低利用率问题 的最佳方案。认知无线电具有在不影响授权用户的前提下，充分利用空闲频 谱，并且能根据环境的变化实时改变通信参数，提高通信可靠性的优点。因 此研究认知无线电环境下的动态信道分配技术尤为重要【1 7 1 。 2 1 认知无线电系统 2 1 1认知无线电系统的主要任务 目前，认知无线电技术的研究大都集中在物理层和m a c 层的功能上， 如频谱感知技术、频谱管理技术和频谱共享技术。这些方面的研究也取得了 重要的进展。对于更高层，如网络层、传输层和应用层的技术，虽然目前还 没有深入的研究，但是已经引起了研究人员越来越多的关注。同样的还有频 谱移动性管理、认知无线电的安全技术、认知无线电的跨层设计。下面对认 知无线电的主要任务进行简要的介绍【1 6 l ： 一、无线环境分析 1 、无线环境的干扰温度估测 干扰温度是f c c 在文献 1 s l q a 所提出的，用来描述在无线区域环境下， 提供接收端可忍受干扰程度的机制，这部分的内容我们将在下面详细阐述。 2 、频谱空间的检测 根据所估测到的干扰温度，频谱空间可分为黑色地带、灰色地带和白色 地带三种，作为判定认知用户是否能使用此频谱空问的依据。 二、信道状态估测和预测信道模型 1 、信道状态信息估测 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i l l 一般来说信道信息估测差分可以通过差异性检测( d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n ) 的方式和传送导引信号( p i l o tt r a n s m i s s i o n ) 来进行估测。 2 、提供发送端信道容量的预测信息 所估测到的信道状态信息可以提供一些无线传输技术( 例如：功率控制、 可适性调变和频谱管理) 作为系统设计的依据，以达到最佳的传输品质。 三、传输功率控制和动态频谱管理 1 、传输功率控制 传输功率控制影响使用者的电池的持续时间，也可以解决使用者和基站 或电台之间因距离导致的传输功率衰减所造成的远近效应。在多用户的使用 环境中，通过功率控制才能将使用者的功率干扰程序降到最低。 2 、当认知用户侦测到可使用的频谱空间时，要分配给每一个用户，并有 效的利用资源，让每个用户都可以达到理想的传输品质。 换句话说，在认知用户要进行通信时，认知无线电装置首先分析目前所 在地的各授权频段的使用状况以及无线环境状态，接下来选择适当的频谱、 传输功率以及调制方式，来达到最佳的传输品质。 图2 1认知无线l i i 三种主要任务的关系图 认知无线电的核心思想是具有感知能力的通信设备在检测出频谱空洞 8 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 后，充分合理的利用空闲频谱，因此频谱资源管理在认知无线电技术中极为 重要。频谱管理包括认知无线电的频谱分析、频谱决定、频谱分配和频谱移 动等方面。 在频谱分析时，利用频谱空洞在不同时段具有不同的特征，使认知无线 电能做出符合使用者要求的决定。为了进一步分析频谱空洞的特征，通常需 要对干扰、路径损耗、错误率、同步、占用时间等参数进行分析。 在频段的分析时，有些频段将有可能比其他频段拥挤，这决定了信道的 干扰量，因此从主用户的干扰程度可以推测出认知用户在此频段上允许使用 的功率大小。信道容量也是频谱特性中最重要的一种特性，通常用下面公式 来计算频谱容量【1 9 1 ： ，c、 c = b l o g ，il + 二l ( 2 1 ) l+ 其中召为带宽、s 为认知无线电的接收功率、为噪声、，为其他使用 者对使用者所造成的干扰功率。 一旦频谱分析结束后，认知无线电根据使用者q o s 要求选择适当的频段， 因此频谱决定通常必须考虑认知用户的q o s 要求。根据使用的要求可以决定 传输速率、错误率、延迟时间、传送模式和频宽大小。一般而言频谱空洞会 随着时间变化而改变，频谱移动是指认知无线电使用者根据当时最新的频谱 空洞改变运行频率的过程。频谱移动通常发生在当前信道的性能降低或者主 用户出现时，因此产生认知无线电频谱切换的问题，而切换问题亦是认知无 线电在频谱移动中所要克服的问题之一。 认知无线电8 0 2 2 2 工作组将认知无线电与传统无线电结合，给出了认知 无线电的网络模型，如图2 1 所示。在这个模型中，认知无线电网络中的每 一层都要受认知引擎( c o g n i t i v ee n g i n e ) 的控制，各层之间也相互影响。认知 引擎取决于策略分析的内容。在此种网络模型中，各层都有其特定的功能， 基中物理层的主要作用有频谱感知、信道估计和预测以及数据的传输；链路 层( m a c ) 的主要作用是对非授权用户的接入、频段的选取进行资源的最优 9 哈尔滨丁程火学硕十学位论文 配置，同时要保证服务质量和传输效率。链路层能通过物理层对周围环境的 感知结果和网络层对q o s 的要求来自适应的改变接入参数；网络层给出了一 种动态的路由协议，但是这个路由协议需要自适应的改变，以满足q o s 、信 道状态以及周围无线环境的不断变化。 i 应用层瞄 z 吲 i 传输层俐咿降一 i 网络层鼬协议 8 认知引擎 g ：= 矧策略分析学习琐测 l 接入控制层信道选择p = 2 吲 i 物理层囊蚺謦知 ： 7 ，一卜、 知识库 l 硬件，。b 爿 图2 2 认知无线电的网络模型 2 1 2 认知无线电系统的频谱共享模型 虽然目前世界上已经有很多研究机构和学术组织已经开始对认知无线电 进行研究，并取得了一定的成果。但是由于各自的研究方向和研究重点不同， 因此在专业术语方面并没有形成一个统一的称谓。为了阐述的明确，现将已 经颁发过执照的系统称之为主用户( p r i m a r yr i s e r ) 系统( 其他文献也称之为 “授权系统，l i c e n s e ds y s t e m ，“传统系统，l e g a c ys y s t e m ，“在职系统， i n c u m b e n ts y s t e m ) ，主用户系统具有最高优先级，在该系统中工作的用户 叫主用户，工作的频段叫授权频段( 1 i c e n s e db a n d ) ；将没有执照的、想要机 会式接入主用户频段的系统称为认知无线电系统( 其他文献也称之为“次用 户系统，s e c o n d a r ys y s t e m ”，“x g 系统”) ，在该系统中工作的用户叫做认 知用户。认知用户的优先级要低于主用户。 从广义上来看，认知无线电系统的频谱共享方式大致分为两种，也就是 l o 、 i - j 哈尔滨下稃人学硕十学位论文 说在认知无线电系统中认知用户可以接入到两种频谱上去，一种频谱是免执 照频段，即公共频谱，一种是“频谱空洞 类别的频谱，即在认知用户接入 时段主用户并没有占用的频谱。文献【2 0 】将上述两种频谱共享方式称之为水 平共享( h o r i z o n t a ls h a r i n g ) 和垂直共享( v e r t i c a ls h a r i n g ) ，如图2 3 所示。 系统类型 图2 3 认知无线电的两种频谱共享方式 在水平共享方式下的频谱分配中，最关键的问题就是认知无线电系统和 其他的一些非授权系统的频谱竞争问题。一般情况下，认知无线电系统与其 他的非授权系统基本处在同等的优先水平，怎么样才能在使用频谱时避免产 生冲突，成为研究的重点，这就需要制定相应的频谱策略( s p e c t r u ms t r a t e g y ) 和价值取向( v a l u eo r i e n t a t i o n ) ，以便于各系统之间进行有效的协调，并在冲 突时动态的做出快速反应。 在垂直共享方式下的资源分配中，和水平共享方式下一样需要关注认知 无线电系统与其它非授权系统间的频谱竞争现象。同时要更加注重在为认知 用户分配无线频谱时对主用户系统频谱使用情况的影响。由于认知用户的优 先级要低于主用户，所以当主用户重新占用当日i 频谱时，认知用户必须让出 频谱，无条件归还给主用户。因此，分配给认知用户的无线频谱资源取决于 、 j 乏夕 夕 、 索 夕 夕、j ：筵耋誊 ! 怎轰靶上0 ) 主j i l j 户认知月；i ， ，m r ，。g 、：一半一掣。 2 2 认知无线电网络中的动态信道分配策略 现有的频谱共享技术，如i s m ( 工业、科学和医用) 频段开放接入，工 作于3 g h z - 1 0 g h z 频段的超宽带( u w b ) 与传统窄带系统共存技术通常应 用于固定频段的共享，受限于发送功率的短距离通信，在提高频谱利用率的 同时却增加了干扰，限制了无线通信系统的容量和灵活性。 、 - 0 哈尔滨下稃大学硕十学何论文 i 认知无线电中的动态信道分配技术能够对无线频谱资源进行频谱感知， 智能的学习和有效的利用空闲频谱，自适应的调整系统参数，大大提高频谱 的利用率和系统的容量。认知无线电系统与其他系统最大的不同是传输的媒 介一无线频谱不是自有的，而是利用授权用户系统当前未使用的空闲频段进 行接入，而且无线频谱的空闲状态随着空间、时间的变化而改变，因此认知 无线电系统的动态信道分配必须考虑以下几个问题：一是认知无线电用户对 授权用户的干扰问题，二是认知无线电用户之间的干扰问题，三是认知无线 电系统的效率和公平性问题。认知无线电的动态信道分配策略通过两个最重 要的理论方法最优化技术和博弈论技术，来进行分析，寻求最优化的策 略【2 1 1 。 2 2 1 频谱分配技术的分类 在无线通信系统中在频谱分配时往往需要考虑系统的应用需求以及系统 网络结构等特点，我们对不同的频谱分配技术按性质进行分类瞄1 1 2 3 1 ，具体如 下： ( i ) 基于分配方式分类 频谱资源分配技术按分配方式分类可以分为静态频谱分配、动态信道分 配。 静态频谱分配是指按固定的频谱分配表将频谱分配给系统内各用户，用 户不能按自身需要改变可获得的频谱资源，这种方式较为简单，系统开销小， 但分配不灵活，不能满足用户不断变化的需求。 动态信道分配是指系统能够通过一个自适应策略有效地( 高效率以及可 实施) 利用频谱资源，满足不同用户对频谱资源的需求，增大系统容量，提 高频谱利用率。 在认知无线电中，频谱分配算法设计要求以对可用频谱的检测以及发射 功率控制的要求为基础，选择适应无线环境时问变化特征的频谱分配策略， 因此，认知无线电中的频谱分配采用动态信道分配技术。利用动态信道分配 、 气) 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 可以提高无线通信的灵活性、信道使用效率，可使授权用户和次用户之间避 免冲突，并共享频谱。 ( 2 ) 基于网络结构分类 频谱分配技术按网络结构分类可分为中心式频谱分配和分布式频谱分 配。 中心式频谱分配是指网络中存在一个中心控制节点( 如基站等) ，完成对 网络中各认知用户的频谱分配。在认知无线电中，要求各认知用户能够周期 性的进行频谱感知，将检测到的频谱结果报告中心控制节点，中心控制节点 由此生成频谱分配表，并完成频谱的分配。 分布式频谱分配主要是针对那些没有基础设施的网络，采用分布式结构， 无中心控制节点，网络中每一个认知用户都参与可用频谱的检测和频谱的分 配工作，频谱分配结果与节点采用的策略有关。 ( 3 ) 基于合作方式分类 频谱分配技术按合作方式分类可分为合作式频谱分配与非合作式频谱分 配。 合作式频谱分配是网络中各认知用户相互合作，认知用户的频谱分配策 略不仅考虑本节点的应用需求，还考虑此策略对其他用户造成的影响。因此， 中心式频谱分配都属于合作式分配方式，当然，在分布式网络结构中也存在 合作式的频谱分配。 非合作式频谱分配指节点的频谱分配策略只考虑节点本身的需要，这类 用户可定义为自私用户，在这类分配方式下，系统的频谱利用率较之合作式 分配方式会有所下降。 认知无线电中采用不同合作方式的频谱分配技术主要取决于关键算法的 需要以及对系统性能的要求，对两种方案的比较经常从系统的频谱利用率、 公平性和吞吐量方面考虑。 ( 4 ) 基于接入技术分类 频谱分配技术按接入技术的不同可以分为o v e r l a y 频谱分配和u n d e r l a y 1 4 哈尔滨丁= 稃大学硕十学位论文 频谱分配。o v e r l a y 频谱分配指的是认知用户使用授权用户没有使用的无线频 谱接入认知无线网络，如i s m 上某段空闲的频段，这样可以最小化对授权用 户系统的干扰。u n d e r l a y 频谱分配使用扩频技术在授权用户的某段频谱上接 入认知无线网络，接入时，授权用户将认知用户在某一段频谱上发送的信号 当作噪声，这个技术需要复杂的扩频技术，但是相对于o v e r l a y 技术能够增加 可用的带宽。 图2 5 就是不同的分配方式下的频谱分配技术的分类。 图2 5 动态信道分配技术的分类：基于网络结构、频谱分配行为和频谱接入技术 2 2 2 频谱分配技术的原则 认知无线电系统在频谱分配原则方面，与传统通信系统的分配原则有很 多共性，由于认知无线电系统中的认知用户是机会式接入频谱的特点，所以 在它的分配过程中必须满足以下的要求： ( 1 ) 保证灵活性 认知无线电的特点就是可以通过感知周围无线环境，根据感知结果进行 预测可以使用的频谱资源，并根据授权用户的工作状态进行机会式的接入授 权频谱进行通信。由于授权频谱的状态不是固定不变的，所以对频谱的检测 信息要实时的更新。而一旦授权用户重新使用某段频谱，正在占用该频段的 认知用户就必须在短时问内无条件的退出，或者选择其他的空闲频段进行通 信。这样一来，与传统的无线通信频谱分配技术相比，认知无线电中的频谱 分配技术最明显的不同就在于必须保持对频谱选取的灵活性。对认知无线电 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 系统频谱分配技术的研究要建立在快速的频谱退避和转换功能基础之上，而 由于可用频谱信息的不断更新，相应的频谱分配算法也必须