（通信与信息系统专业论文）认知无线网络中频谱感知调度算法的研究.pdf

摘要 i i i ii t li i i lli l lii f iiu l y 2 0 6 8 3 9 9 频谱感知作为认知无线电的一项关键技术，它用来发现频谱空洞和检测授权信道的 使用情况。在m a c 层频谱感知中存在一个重要的问题：感知频率的确定，也即感知调 度周期的确定，因为它的大小直接影响了非授权用户的频谱使用效率及与授权用户之间 的干扰大小。本文主要研究了频谱感知调度算法并在无线局域网中验证了该算法的性能。 首先，介绍了认知无线电的概念、研究背景和发展现状，以及频谱感知技术。在此 基础上，对m a c 层频谱感知管理机制进行了讨论，重点分析了感知周期的优化问题。 其次，研究了单周期算法和双周期算法，并进行了理论分析和性能仿真。仿真表明，当 非授权用户与授权用户的干扰小于最大干扰约束时，双周期算法损失的可用机会更少。 然后分析了双周期算法的不足，构建了基于信道参数估计的双周期感知算法。最后，在 实际无线局域网环境下，搭建了双周期感知算法运行所需要的场景，并利用在此环境中 采集的历史数据对算法进行了验证，评估了算法对于实际数据的性能。 关键词：认知无线电频谱感知感知周期可用频谱机会 a b s t r a c t s p e c t r u ms e n s i n gi sak e yt e c h n o l o g yi nc o g n i t i v er a d i o ，w h i c hi su s e dt od e t e c tt h e s p e c t r u mh o l e sa n dt od i s c 0 v e rt h ep r e s e n c eo fa u t h o r i z e du s e r s t h e r ei sa ni m p o r t a n ti s s u e i nt h em a cl a y e rs p e c t r u ms e n s i n g ：h o wt od e t e r m i n et h es p e c t r u ms e n s 吨f r e q u e n c y , n a m e l yh o wt od e t e r m i n et h es p e c t r u ms e n s i n gi n t e r v a l ，s i n c ei td i r e c t l ya f f e c t st h ee f f i c i e n c y o ft h es p e c t n m au t i l i z a t i o no fc o g n i t i v eu s e r sa n dt h ei n t e r f e r e n c eb r o u g h tt ot h ea u t h o r i z e d u 跎璐t l l i sp a p e rm a i n l ys t u d i e ss p e c t r u ms e n s i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nc o g n i t i v er a d i oa n d v e r i f i e si t sp e r f o r m a n c ei nt h ew l a n f i r s to fa l l ，t h eb a s i cc o n c e p t , t h er e s e a r c hb a c k 目的u i l da n dt h es t a t u so fc o g n i t i v er a d i o a n ds p e c t r u ms e n s i n ga l ei n t r o d u c e d t h e nt h em e c h a n i s m so fm a c l a y e rs p e c t r u ms e n s i n g m a n a g e m e n t , e s p e c i a l l yo nt h es e n s i n gp e r i o do p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，a r es t u d i e d m o r e o v e r , t h es i n g l e - p e r i o da n dt h ed u a l - p e r i o ds e n s i n gm e t h o d sa r em a t h e m a t i c a l l ya n a l y z e dw i t l l d e t a i l e ds i m u l a t i 0 i i sa f t e r w a r d s u n d e rt h ee o n d i t i o nt h a tt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e np u sa n d s u si ss m a l l e rt h a nt h em a x i m u mi n t e r f e r e n c el e v e lt o l e r a t e db yp u s ，s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ed u a l - p e r i o dm e t h o db r i n g ss m a l l e ru n d i s c o v e r e do p p o r t u n i t i e s a f t e rt h a t , t h e d i s a d v a n t a g e so fd u a l p e r i o dm e t h o da r ea n a l y 矾a n dt h ed u a l p e r i o ds e n s i n gm e t h o db a s e d o nc h a n n e lp a r a m e t e r si su s e di no r d e rt oi m p r o v et h e m f i n a l l y w eb u i l dt h eo p e r a t i o n a l e n v i r o n m e n tf o r t h em o d i f i e dm e t h o d si n t h ew l a n t h e nw eu s et h eh i s t o r i c a ld a t a c o l l e c t e di nt h i se n v i r o n m e n tt ov a l i d a t et h ea 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 os p e c t r u ms e n s i n gs e n s i n gp e r i o do p p o r t u n i t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 过去二十年内，随着无线通信技术和业务的飞快发展，无线频谱资源的需求越来越 高。在传统的静态频谱分配策略中，整个无线频谱被划分成连续的频段，每个频段分配 给指定的用户( 授权用户，p r i m a r yu s e r ) 并给予这些用户对该频段的绝对所有权，同 时拒绝其他用户( 非授权用户，s e c o n d a r yu s e r ) 使用该频谱资源。根据传统频谱分配 策略的要求，应该给每个新型无线服务分配一个从来没有被分配过的频段。尽管无线频 谱资源在理论上认为是无限的，但高频段( 比如，6 0 g h z ) 的传输性能越来越差1 3 ，所 以未来可供分配的具有优越传输特性的频谱将越来越少，即无线网络正面临着有限频谱 资源与各种业务对频谱资源需求的矛盾。 然而潜在的频谱稀缺事实上是可以解决的，因为大多数由固定频谱分配策略分配的 频谱并没有得到充分的利用，如图1 1 所示。一项最新的数据分析【ij 揭示了在3 g h z 频 率下的频谱时间使用率仅有5 2 ，并且因为固定频谱分配策略的规定，当这些频谱没 有被使用的时间内，它们不能用于其他用途。可见，频谱缺乏的主要原因是陈旧的频谱 分配系统，而并非频谱本身的缺乏。因此，自从2 0 0 0 年起，f c c 一直在寻找一种新的 频谱分配策略来动态使用这些频谱。研究者一致认为动态频谱接入( d y n a m i cs p e c t r u m a c c e s s ) 是解决这一问题的有效技术。 m a x i m u ma m p l i t u d e s h h wu s eh h wu s e s t m r s eu s e m e d i u mu 鹭 li i i li ii iij i _ ii l 山i 2 认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 1 2 认知无线电简介 认知无线电技术正是基于频谱“二次利用”的思想提出的，它有效地缓解了频谱资 源缺乏和日益增长的无线接入需求之间的矛盾。2 0 0 0 年m i t o l a 的博士论文中首次提出 了认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念【2 】。认知无线电是一个智能无线通信系统， 它能够感知外界的无线环境，并使用人工智能技术对环境理解和学习，实时地改变某些 操作参数来适应环境的变化，以达到以下目的：任何时间、任何地点的高度可靠通信和 对频谱的有效利用。 目前，认知无线电主要研究目标是实现以频谱为中心的环境高适应性和频谱利用的 高效性，它主要包括3 个步骤：频谱感知、频谱分析及频谱判决。频谱感知的主要功能 是检测可用频段和发现频谱空洞；频谱分析的主要功能是估计频谱感知得到的频谱空洞 特性；频谱判决则是根据频谱空洞的特性及用户需求选择合适的频段传输数据。 从认知无线电的主要目标及其定义中可以看出，认知无线电应该具有以下5 种能力 【3 】： ( 1 ) 感知能力 认知无线电必须具备准确的无线频谱检测能力，能在全频段范围内进行多维度频谱 检测，从而发现可使用的频段。由于是非授权使用，认知无线电必须具备迅速发现授权 用户的能力，即在使用频段过程中时刻检测授权用户的活动状态，从而确保不对其产生 干扰。 ( 2 ) 分析能力 认知无线电也必须具备对网络内部状态、自身性能、外部数据( 包括频谱使用、策 略使用等) 和用户自身需求相关知识进行分析的能力，从而确定授权用户的位置、使用 频点和发射时间，除此之外，还要完成对可用频点位置、可用带宽、信道状况、自身传 输可能会对其他用户产生的影响及完成业务传输所需的带宽和时间的分析。 ( 3 ) 决策能力 决策能力是完成传输的关键。认知无线电需要具备较强的决策能力，能够在较宽的 频段内实现不同传输方案之间的切换，并在突发事件发生后能够及时的暂停或者恢复传 输，确保在不干扰授权用户的情况下获得最大限度的传输能力。 ( 4 ) 重构能力 重构能力使得认知无线电设备可以根据无线电环境动态编程，从而允许认知无线电 设备采用不同的无线传输技术收发数据。 ( 5 ) 推理和学习能力 鉴于无线频谱环境的复杂性，简单的检测可能无法获得较好的传输特性。如何根据 第一章绪论3 无线背景环境的历史数据进行推理，并获得一定的参考信息是一个非常重要的课题。一 般来讲，这种推理和学习分为3 种：第一种是基于简单固定规则的；第二种是基于较为 复杂规则的；第三种是基于学习的。 利用认知无线电技术，可使没有频率使用许可的用户在对法定授权用户不产生影响 的前提下，来使用已分配的频段，从而更高效地对无线频谱资源加以利用。这种特性使 得认知技术成为缓解日益紧张的频谱资源压力的有效方法之一。尽管没有成熟的认知无 线电的标准和法规，但无线业界强烈感觉到认知无线电将成为下一波有冲击性的浪潮。 1 3 认知无线电的发展现状 认知无线电技术，通过动态的使用已经分配的频段缓解了日益紧张的频谱资源压力。 目前已经有很多国家的很多机构进行了相关研究，下面将分别介绍下。 l 、i e e e s 0 2 2 2 标准 4 1 2 0 0 4 年，i e e e 正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作组，i e e e 8 0 2 2 2 称为无线区域网络( w h l e s s r e g i o n a la r e an e t w o r k ，w r a n ) ，致力于w r a n 标准的制定，这是第一个世界范围的 基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。该工作组的目的就是使用认知无线电技术 将分配给电视广播的v h f u h f 频带( 北美为5 4 m h z - 8 6 2 m h z ) 的频率作为宽带访问线 路。这是继2 0 0 2 年实现民用u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 之后又一全新的无线频率应用技 术。 i e e e s 0 2 2 2 制定的是无线通信的物理层与m a c 层规格。所设想的数据通信频率为 数兆b i t s 至几十兆b i t s 。由于电视转播所占用的频段比w l a n 更低，因此基站设备可 覆盖的范围更大，半径超过4 0 k r n 。如果此目标得以实现，大约3 0 0 m h z - 4 0 0 m h z 的 频带将可用于室外宽带通信。 i e e e 8 0 2 2 2 标准提案对空中接口进行了规范，包括物理层( p h y ) 与媒体接入控制 ( m a c ) 层的规范。m a c 层和p h y 层协议栈对于所有被支持的服务都是相同的。为 了与t v 频道的授权用户共存，8 0 2 2 2 系统的p h y 层与m a c 层协议应该允许基站根据 感知结果，动态调整系统的功率或者工作频率，还包括降噪机制，从而避免对t v 频道 的授权用户造成干扰。 根据i e e e 8 0 2 2 2 标准提案，p h y 层可细分为一个会聚子层和一个物理媒体( p m d ) 子层，p m d 是p h y 层的主要部分，而会聚子层能自适应映射m a c 层的特定需要到通 用的p m d 服务，i e e e 8 0 2 2 2 协议在p h y 层上增加了频谱感知功能，通过本地频谱感 知技术和分布式检测等方法，来可靠地感知某时刻、某地区的电视频段中各子信道是否 被授权的电视信号( a t s c 、d v b t 、d m b t 等制式) 占用。使得非授权用户能够在对 4 认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 授权用户系统不造成干扰的情况下接入空闲的电视频段来充分利用有限的频谱资源。 m a c 层的协议设计不同于以往，除了提供媒介接入控制等传统业务，还以共存为主要 目的，为与授权用户共存和保护授权用户提供了有利的手段。并且引入了一个新颖的共 存信标协议( c b p ) 来使得那些具有重叠覆盖区域的8 0 2 2 2 基站可以协作和有效地分享 频谱资源。另外，还提供了信道管理和测量功能，使得m a c 层在频谱管理上更加灵活 与有效。 2 、i e e e1 9 0 0 标准【5 】 为了进一步研究认知无线电，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e l 9 0 0 标准组( s c c 4 1 ) ， 进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于认 知无线电技术的发展和与其它无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。i e e e 1 9 0 0 工作组的任务是解释和定义有关下一代无线电系统和频谱管理的术语和概念，主要 澄清术语并且弄清各种技术之间的关系，提供对技术的准确定义和对关键技术的解释， 如频谱管理、政策无线电、自适应无线电、软件无线电等。换句话说，i e e e1 9 0 0 标准 是为了为不同的无线电设备与频谱制订总体结构，使他们能够共融互通并进行动态频谱 分配形成综合网络。 其中，i e e e1 9 0 0 4 工作组主要任务为动态频谱接入的无线系统提供实际应用、可 靠性验证和评估可调整性能。在第一阶段，标准将限于结构和功能定义，而后一阶段将 着重于与信息交换有关的协议定义。 3 、“9 7 3 ”项目 6 1 高速增长的宽带无线业务需求对无线网络提出了更高的要求，无线网络演进正处于 重大变革的契机点：环境变化、需求差异、技术进步、业务增长、投资保护等因素造就 了众多异构的无线网络子系统并存的局面，给网络发展和建设带来极大困难，又无法满 足用户日益增长的应用需求：同时无线网络中普遍存在资源静态管理，条块分割使用等 问题，可用资源分布高度不均衡、资源短缺和浪费共存、使用方式不能根据需求和环境 的变化动态调整等矛盾日益尖锐，造成了网络使用方式僵化、资源利用效率低下。这些 问题已成为制约无线网络发展的主要瓶颈，而且日趋严重。这些现象的产生源于原有无 线网络的设计思想：封闭式的静态网络工作模式。这造成了网络融合需求与当前孤岛式 的异构网络的矛盾，以及动态环境与静态网络工作模式间的矛盾。 为了解决这些问题，使网络从静态工作模式发展到动态自适应工作模式，从单一封 闭式网络发展到异构融合网络，必须具备对无线环境、网络环境、用户环境等的高度认 知能力，在认知的基础上无线网络需以一定的衡量准则进行自主的决策控制，并借助重 构的手段达到适应变化的目的。这些问题的解决离不开认知、自主决策控制及重构这三 个要素，而目前封闭的无线网络体系结构不具备这些要素和适变性能力。该项目要解决 第一章绪论 5 的核心问题是无线网络体系结构中的适变性问题、无线网络多域环境的认知性问题和认 知无线网络管理与控制的自主性问题。 项目的总体目标为国家中长期信息领域的若干前沿技术和重大专项研究提供坚实 的理论基础，在基础理论与关键技术方面取得一批具有原创性的研究成果并达到国际领 先水平，面向i t u 、i e e e 、3 g p p 等国际标准化组织形成认知无线网络的一系列具有知 识产权的国家、国际标准；建立基于多平面的认知无线网络体系模型与理论，建立多域 认知理论与方法，提出基于认知的自主无线传输、资源管理和控制原理与机制；创建自 主端到端重构理论并给出重构理论内容。 1 4 本文主要工作及章节安排 频谱感知作为认知无线电的关键技术，它包括的不仅仅是物理层的双边假设检测算 法，而且应该包括m a c 层频谱感知机制。本文的主要目的是研究m a c 层频谱感知机 制中的感知调度算法。针对频谱感知调度算法的问题，对最佳频谱感知调度策略以及最 佳感知调度间隔进行了主要研究，并通过实测数据对算法进行了验证。本文的结构和章 节安排如下： 第二章对认知无线电频谱感知技术进行了研究。在此基础上，对m a c 层频谱感知 管理机制进行了讨论，并重点研究了感知周期的调整和优化问题。 第三章对单周期调度算法和双周期调度算法进行了详细的数学分析和性能仿真。然 后分析了双周期调度算法的不足，即最优感知周期的求解，是建立在信道分布参数情况 已知的条件下。所以对它进行了修正，得出了基于信道参数估计的双周期感知算法，并 给出了详细的仿真结果和性能分析。 第四章在实际无线局域网环境下，构建了基于信道参数估计的双周期频谱感知调度 算法运行的环境，并通过历史数据对算法进行了验证，评价了算法对于实际数据的性能。 6 认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 第二章m a c 层频谱感知机制 7 第二章m a c 层频谱感知机制 2 1 频谱感知简介 前一章讲过，传统的固定频谱分配制度限制了无线技术的发展，它只能给新的无线 服务分配未分配过的频谱，于是频谱资源紧张的问题变得越来越严重。然而潜在的频谱 稀缺事实上是可以解决的，因为大多数已分配的频谱并没有得到充分的利用。 认知无线电正是为了解决频谱利用率不足的问题而产生的。它通过动态使用已经分 配的频谱来缓解日益紧张的频谱资源压力。为了达到这个目标，非授权用户需要采用频 谱感知技术来检测授权信道、寻找可以使用的空闲频谱，即频谱空洞。然后改变无线设 备参数以利用频谱未被使用的部分。同时在非授权用户使用信道时，它也必须继续感知 信道，以便能检测到授权用户的返回而立即释放信道。因此频谱感知被非授权用户用来 发现频谱空洞和检测授权用户的存在，使它成为了实现认知无线电最基本的功能【l 引。 从无线网络分层角度来看，频谱感知分为物理层频谱检测和m a c 层感知机常, t n t 9 1 。 其中，物理层频谱检测主要指的是具体的感知算法，它的目的是研究采用何种检测算法 以便更加精确地发现频谱空洞。现在已经存在很多频谱检测方法，比如能量检测法，匹 配滤波器法，特征检测法等。而m a c 层频谱感知在本文中指的是频谱感知管理机制， 它主要用于控制物理层频谱感知算法的执行，如决定检测哪些信道、何时检测等问题。 下图2 1 为频谱感知分层模型。本章主要研究m a c 层频谱感知机制。 c o g n i t i v em a c m a c 屡感知机制 1 ，周期调度频谱感知。调度周期 最优化 2 ，感知信道顺序的选择 一 感知周札上感知信道i d d 感知结果 物理屡领谱感知 ( 具体频谱感知算法) 一l一l 射频激励 射频激励 认知无线电运行的射频环墙 图2 1 频谱感知分层模型 8认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 目前大多数研究都集中在物理层检测算法的优化上，而对m a c 层频谱感知机制的 研究较少。下一节将对m a c 层频谱感知机制进行介绍，并引入本文研究的主题。 2 2m a c 层频谱感知机制介绍 m a c 层频谱感知在本文中指的是频谱感知管理机制，它主要用于控制物理层频谱 感知算法的执行，如选取哪种感知模式、决定检测哪些信道、何时检测等问题。本节我 们将对m a c 层频谱感知进行介绍。 2 2 1 感知模式的选取 根据非授权用户感知时机的不同，感知模式可分为周期感知和被动感知。下面将分 别讨论之。 1 ) 周期感知 在周期感知模式下，不管非授权用户或者节点是否有数据传输需要，非授权用户都 需要按一定周期周期性地检测各个信道。这种方式可周期性地收集信道的状态信息，利 于估计信道状态，快速定位频谱空洞。图2 2 给出了周期感知的基本模型。 周期感知的缺点是感知开销过大，优点是可以快速定位频谱空穴，减少了由于非授 权用户被迫进行信道搜索而导致服务质量降低的概率，同时它还可以积累大量频谱信息， 在重新进行信道搜索时优化搜索方式以提高信道切换能力。 信道l 信道2 信道3 可用信道 感知开销 感知时间 _l_l_-_ 图2 2 周期感知模型 第二章m a c 层频谱感知机制 9 2 ) 被动感知 在被动感知模式下，非授权用户只有在需要进行数据传输时才执行感知，通常只能 使用一个空闲信道进行数据传输，并周期性监测该信道，避免对随机返回的授权用户造 成干扰。图2 3 给出了被动感知的基本模型。 相对于周期感知而言，被动感知减少了不必要的感知开销，但是定位到频谱空穴的 时间较长，并且非授权用户会因为被迫需要进行信道搜索而导致服务质量降低。 信道l 信道2 信道3 可用信道 感知开销 2 2 2 感知周期和感知时长 图2 3 被动感知模型 因为非授权用户和授权用户是相互独立的，它们没有频谱使用信息的交互，这就需 要非授权用户迅速、精确地检测频谱使用情况：一方面能减少非授权用户与授权用户的 冲突，另一方面能迅速定位频谱空洞给非授权用户使用。由于一般非授权用户不能同时 进行感知和传输，并且由于硬件的限制、自身传输的需求，不能进行连续感知，所以目 前m a c 层频谱感知机制一般采用固定间隔感知机制f 2 7 】，如下图2 4 所示。 1 0 认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 图2 4 感知周期与感知时间 在周期感知中，选择合适的感知周期十分关键，如果感知周期过大，则会因为无法 检测到某些空闲的频谱，损失掉一些可以接入的机会。如果感知周期过小，则会导致过 于频繁的检测，消耗不必要的能量。由于现有的认知设备一般为半双工的，它不能同时 进行感知和数据传输，所以，当非授权用户使用授权频谱的时候，如果盲目的缩小感知 周期，也会造成频谱机会的浪费。同时因为非授权用户在周期感知中，使用的一般是先 检测后传输模式。它会依据感知阶段的检测结果来控制传输阶段的操作，而在传输阶段 内没有继续执行感知。因此非授权用户的传输可能对任意时间返回的授权用户造成干扰， 所以感知周期也会影响非授权用户与授权用户冲突的几率。综上所述，感知周期的选择 是m a c 层频谱感知机制所要解决的一个重要的问题。 目前已经存在一些关于频谱感知周期优化问题的研究。文献【1 0 】中，作者提出了一 种最优感知周期的计算方法，他通过求解感知开销和损失感知机会的折中来求解最佳感 知周期。如果非授权用户感知周期小，感知频率高，虽然可以提高授权用户的检测概率， 但将带来高的感知开销，这里定义感知开销为一个感知周期内感知时间所占的比例；如 果感知周期大，那么由于非授权用户不能及时地检测到授权用户的变化而造成频谱机会 的浪费。然而，作者假设授权用户一旦返回信道，非授权用户就会立即发现他并迅速的 排空所占用信道，从而不会对授权用户造成干扰。事实上，这种假设是不成立的，需要 考虑授权用户和非授权用户之间的干扰。 文献【1 l 】中，为了满足授权用户的干扰约束，作者提出了一种最优感知周期求解方 法。在满足对授权用户造成的干扰小于最大干扰约束的前提下，根据感知时间、感知间 隔、虚警概率的关系曲线，来确定感知间隔的取值区间，然后在这个区间内求解满足最 小感知开销的感知周期。然而作者在文章中通过近似处理一些参数的来求解最佳感知周 期，这些近似与真实参数有很大的偏差，并且作者没有考虑如何增大感知用户的接入机 会。 文献 1 2 1 e p ，对于非时隙占用的授权用户模型，作者提出了双周期感知方法，相对 第二章m a c 层频谱感知机制 1 1 于【l o 】的单周期频谱感知方法，作者综合考虑了对授权用户造成的干扰以及损失的频谱 接入机会，并证实了双周期感知相对与单周期感知算法有更好的性能。 感知时间，是指非授权用户在这段时间内使用某种频谱感知算法来测量授权信道的 状态，进而确定授权用户是否占用该信道。检测时长作为周期检测的另一个主要参数， 其设置的合适与否本质上是检测质量和检测速度折中的体现。缩短检测时长会导致检测 质量下降，碰撞概率增加，对授权用户的保护能力变弱：增大检测时长可提高检测质量， 但同时会降低可用空闲频谱的利用率 2 2 1 。它的长短的设置确切地说应该与底层硬件设备、 物理层的相关检测技术有关，选择的频谱感知技术不同，所需要的感知时间不一样。 2 2 3 感知静默周期的设置 检测静默期的设置也是m a c 层频谱检测管理的重要研究内容。从认知网络的角度 考虑，当非授权用户检测某一频谱时，所有系统内其他工作于这个频谱的用户都应需要 在一段时间保持静默，以确保非授权用户自身的通信不会干扰到对授权用户信号的检测， 其中这段时间称为静默期。 静默期按照实现方式的不同可以分为两种：同步静默期和异步静默期强j 。在同步静 默期方式中，同一时间非授权用户在系统所有可用信道上都停止发射信号，设置较为简 单，每个非授权用户都能够检测所有信道；异步静默期方式则是一个或多个非授权用户 在所占用的特定信道上停止发射信号，每个信道可以有不同的静默期，非授权用户通常 只能检测自身所占用的信道由于同步静默期的实现需要动态宽带滤波器的支持。目前的 研究集中关注异步静默期，主要有利用保护间隔的异步静默期时间不重叠的异步静默期 【8 】垒壅 。口o 2 2 4 感知信道的选取 检测信道策略的研究包括信道检测集合的选取、信道检测顺序的排序及信道搜索策 略的确定。非授权用户通常需要在较宽的频谱范围内进行检测，但由于信道数量较多且 检测时长和检测能量受限，不可能进行全频段的连续检测。一种有效的解决方法是非授 权用户对可能出现空闲频谱的信道进行跟踪、学习和更新，智能地选取最优信道检测集 合，从而减少检测能量开销、缩短检测时长、提高检测性能及频谱利用率。文献 1 3 】采 用有限空间部分可观察马尔可夫决策过程( p a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ， p o m d p ) 中的部分观察和迭代学习模型对频谱检测和接入策略进行建模，非授权用户 结合环境反馈计算策略行为的收益，并以此预测和更新信道状态信息矢量，从而根据各 信道处于空闲的概率选择最优信道检测集合。 1 2认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 为快速准确地检测并定位空闲信道，除选取最优信道检测集合外，还可对信道的检 测顺序进行优化排序，从而缩短寻找空闲频谱的平均时延。一种简单、直观的信道检测 排序方法是根据主要用户频谱利用率的升序对各信道进行检测，即先检测主要用户频谱 利用率较低的信道，这种信道检测顺序使用的是主要用户在各个信道上频谱利用率的统 计值，虽然实现简单，但并不能反应非授权用户需要空闲信道时刻各信道处于空闲的准 确概率。 2 3 本章小结 本章首先对频谱感知技术进行了简要的叙述。然后对频谱感知机制涉及的一些问题 分别进行讨论。频谱感知不仅仅是物理层的双边信道检测，也包括了链路层感知机制的 设计。认知无线电感知算法主要研究基于信号处理与分析的物理层检测方法的设计和改 进，而与种类繁多的感知算法相比，目前对于认知无线电检测机制的研究却相对较少。 本文将主要研究认知无线电频谱感知机制中感知周期选取的问题。由于一般非授权 用户不能同时进行感知和传输，并且由于硬件的限制，不能进行连续感知。因此，寻找 一个最优的频谱感知周期对于非授权用户十分重要。如果感知间隔选择过大，则将导致 可用接入机会的损失或者与授权用户冲突；如果感知间隔选择过小，则会导致感知频度 过高，感知开销过大。所以如何选择一个合适的感知间隔对非授权无用户来说是一个亟 待解决的重要问题。 第三章感知调度算法 第三章感知调度算法 如前一章所述，频谱感知周期的选择对非授权用户来讲十分重要，我们需要综合考 虑频谱使用率、干扰概率和感知开销的折中，选择合适的感知周期。目前频谱感知调度 算法主要分为：单周期感知调度算法、双周期感知调度算法等，本章将首先对这两种周 期感知算法进行详细分析。其中对于单周期感知算法，与文献【1 1 】不同的是，本文将考 虑非授权用户与授权用户的干扰。然后根据两种算法的优缺点，对双周期频谱感知算法 进行修正，并对修正后的算法进行性能分析。 3 1 系统描述 本节将描述周期感知调度算法所使用的系统模型，即授权信道使用模型、非授权用 户模型，所有的模型会在接下来的算法分析及仿真中使用。 3 1 1 授权信道使用模型 在典型的认知网络中，授权用户的行为不受非授权用户影响，它可以在任何时间占 用或者离开授权信道。因此授权信道的占用时间和空闲时间k 可以用o n o f f 交 替更新过程来等效，其中o n 表示信道忙，o f f 表示信道空闲，o n 过程和o f f 过程独 立同分布。这里为了方便计算，假设o n o f f 过程的持续时间和k 服从参数独立 的指数分布，模型 1 5 , 1 6 为： jf r o 忭( x ) = 钾p 们 ( 3 - 1 ) l 乞( y ) = p y 护o 其中，k 和为指数分布的分布参数。一旦非授权用户发现了信道空闲，它便 可以利用感知周期的剩余长度进行数据传输，直到下一次感知为止；而当它使用信道的 时，如果检测到了授权用户重新占用信道，就要迅速撤离该信道以免对授权用户造成干 扰。下图3 1 为授权信道的o n o f f 交替更新模型【1 4 1 。 1 4 认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 o n ( b u s y ) o m ：( i d l e ) 图3 1 授权信道o n o f f 交替更新模型 3 1 2 非授权用户模型 上一章介绍过，非授权用户的检测模式【l o 】一般分为周期检测和被动检测。周期检测， 是指非授权用户周期性地检测各个授权信道，进而获取各授权信道的忙、闲分布信息。 所以非授权用户能够迅速在可用频段上通信，提高了传输效率。而被动检测是指非授权 用户只有在有需求的时候才执行频谱检测，例如当它需要传输数据的时候。虽然相对于 主动检测来言，被动检测减少了总的检测次数，节省了能量开销。但由于缺乏授权信道 的先验信息，使得它发现空闲频段的平均延时较长，数据传输中断率较高，非授权用户 的通信质量受到严重影响。 此外，非授权用户在被动检测模式下，通常只使用一个空闲频段，当该信道上的授 权用户重新返回时才去搜索其他信道。而主动检测模式下，非授权用户常常周期感知多 个信道，它也可以同时使用多个空闲信道进行传输。因此，综合考虑，本文将研究主动 检测模式下检测机制优化的问题。 假设非授权用户为半双工工作模式，不能同时进行感知和传输。它通过使用正交频 分复用( o f d m ) 技术，可以同时占用多个空闲授权信道进行传输，并在这些信道上执 行独立的周期感知【lo 】。尽管每个授权信道上的感知周期是独立的，但是我们定义这样一 种并发执行的周期感知方式：如果非授权用户正在对某个信道执行频谱感知，则在这次 感知结束前，其它信道均不执行感知，即一次仅能感知一个信道。 3 2 非授权用户感知模型 本节将给出固定单周期感知算法和双周期感知算法的感知模型。对于给定授权信道， 频谱感知相当于一个采样过程，它为了发现每次感知时间内信道的状态。定义e 【】、 e 【死阡】为o n 过程和o f f 过程持续时间的均值。假设o n o f f 交替信道对应的感知结 果为“i 0 ，则每个信道被感知为随机二进制序列，并且这个二进制序列的密度与感知 周期有关。下面首先介绍下两种感知调度算法所使用的感知模型。 第三章感知调度算法 1 5 3 2 1 单周期感知模型 单周期感知模型事实上是采用固定的感知间隔进行信道感知。图3 2 显示了感知时 间为z 、感知周期为l 的单周期感知过程。其中感知时间互一方面与物理层检测算法及 底层硬件设备有关，另一方面与授权用户或非授权用户所要求的频谱利用率、干扰程度 及检测性能相关。比如，在8 0 2 2 2 中，为了使漏检概率和虚警概率达到指定值，定义快 速感知使用小于l m s 的时间进行检测1 1 9 】。这里假定感知时间z 是由物理层为了达到期望 的检测性能所预先决定的，并且它相对于e 【】、e 【k 】很小。定义信道利用率”为信 道占用的比例，它的表达式如式( 3 2 ) 所示【1 1 】： “： 呈【玉! 亿，、 e 【死n 】+ e 【瓦f ，】 、。7 o n o f f k 3 2 2 双周期感知模型 图3 2o n o f f 单周期感知过程 与单周期不同的是，双周期把信道状态分离开来，在信道o n 状态和信道o f f 状态 分别使用不同的感知周期。因为信道是交替的o n o f f 随机过程，每个更新周期内o n 的时间和o f f 的时间服从参数独立的随机分布。当感知周期过大，在o n 状态会出现这 种结果：不能及时发现信道的变化而造成可用机会的损失；而在o f f 阶段则会出现不 同的结果，即不能及时发现授权用户的返回而对授权用户造成干扰。因此应该在不同信 道状态采用不同感知周期。图3 3 显示了感知时间为互，忙感知周期为疋，空闲感知周 期为z 的双周期感知过程。 1 6 认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 圃 o n o f f 图3 3o n o f f 双周期感知过程 3 3 周期感知算法分析 上一节对单周期感知模型和双周期感知模型进行了简单描述，本节将定义一些参数， 然后对单、双周期感知调度算法进行数学建模和分析，并在此数学模型上，通过最优化 理论对最佳感知周期进行求解。 3 3 1 参数定义 为了便于对周期感知算法进行数学分析，对任意信道f ，下面将先定义以下一些参 数： _ 因为不是连续检测，所以不能准确地捕捉到信道空闲的时刻。在这里将单位时间内 由于周期感知浪费的接入机会定义为l o p p ； _ 由于非授权用户周期性的执行频谱感知，所以必然存在着由于未能及时检测到授权 用户的返回而对它造成的冲突。假定非授权用户单位时间内对授权用户造成的干扰 定义为胛，；授权用户可以承受的最大干扰约束【1 7 2 3 2 4 】为t t l m “； 在信道空闲的时候，假定单位时间内由于频谱感知损失的接入机会为s o v 。，这里分 为两部分：由于本信道感知所浪费的接入机会磁，以及由于感知其他信道，而中 断传输后浪费的机会砭； 一 非授权用户的感知时间为r ；执行双周期感知算法时忙感知周期为砭，闲感知周期 为z ；执行单周期感知算法时感知周期为巧： - 信道f 的占用率；忙状态分布参数为x o 。；闲状态分布参数为矿； 第三章感知调度算法 1 7 3 3 2 双周期感知算法分析 上一节对将使用的一些参数进行了定义。由于固定单周期频谱感知其实相当于双周 期的特例( 当双周期感知的忙感知周期和闲感知周期相等时，它便退化为单周期频谱感 知) 。所以接下来首先来分析双感知周期算法。图3 4 标识了非授权用户使用两个信道时， 双周期感知模型下干扰时间和损失时间。 矸 7 i 7 , 1 一1 1 0 5 。 1 m j 矗 、 c 日l 图3 4 构建的周期感知系统模型，以双信道为例 假设非授权用户可以同时在n ( n 1 ) 个信道上传输。当信道参数已知时，三卯p 。、 z w 和s o v 分别与、f 、r 的取值有关。而非授权用户无冲突传输的时间总和等 于它可以达到的期望吞吐量【1 2 ，即： 【丁船( 巧，刀，巧) 一j 孵( f ，刀，巧) 一s o v ( c ，巧，巧) 】 皇1 ( 3 3 ) 。 = ( 1 一) 一三d 尸p ( 巧，巧，巧) 一s o v ( 巧，巧，巧) 】 f = l 所以在给定授权用户最大干扰约束z k 下，非授权用户可以使用的最大频谱机会的 最优化问题可以简写为下式( 3 - 4 ) ： a r g m a x r ( e ，写，) 一胛( 刀，z ，巧) 一阳( ，z ，雩) t = 1 o r 驾印恤已侧( e ，万，t i ) + s o v ( t ；，霉) ( 3 - 4 ) j = l 胛( 巧，写，乃) f 一 乃 r ，虿 霉 1 8认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 莉= 窿黜：；臻y 嚣小射 夫链空闲的平稳状态概率获得，如下【1 2 】： 酽= 河舞 。旬 期望巧为【1 2 】： 刀= 只嚣f + ( 1 - p t 鼹) 巧 ( 3 - 7 ) 度，那么可以得到1 2 l ： 矿= f i 1 1 ( 3 8 ) 假设信道在时间气的感知结果为0 ，定义在【，+ f 】内信道空闲时间的期望为5 0 ( f ) 。 当感知结果为0 时，同样定义6 1 0 ) 。定义( x ) 为信道空闲或者忙的概率分布函数。 研丁1 7 0 】为信道空闲或者忙的期望。我们很容易得到【1 6 】： 趴归，j f o 等 + e 等趴) 胁 9 ， 6 1 0 ) = f 三静。( f y ) 咖 ( 3 - 1 。) 其中，伊o ) 、占1 ( t ) 并f l a o o ) 、艿1 0 ) 含义相同，只是信道恰好在t 发生状态变化。于 是可以得到【1 2 】： 伊o ) = f 畴矗。进+ f 斥( x + 占1 0 x ) 边 ( 3 - 1 1 ) 护( r ) = f 厶谬。o y ) 咖 ( 3 1 2 ) 通过使用椅普椅斯蛮换，对于指数分布的o n o f f 周期可以很容易得到： 第三章感知调度算法 1 9 艿1 。) = ( 1 一) ( ，+ e - 了( 秀a b 万+ 砝) - 1 ) 6 。，= ，一。+ 兰亏兰三兰等， ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) 首先对三卯尸。进行数学分析。l o p p 指的是由于非授权用户间隔感知信道i ，不能 准确发现信道的变化而在单位时间所浪费的接入机会。当本次信道被感知为占用的时候， 非授权用户在间隔砭后才会执行下一次感知，所以如果信道在感知间隔内发生了变化， 非授权用户将不能及时发现信道的变化，则会造成接入机会的浪费。于是根据l o p p 。的 定义，以及6 1 0 ) 、s o o ) 就可以得到： 三御气- 册学= ( i - p y ) 掣叫+ 寄i i idd ) ( 3 1 5 ) 1 k 矿o7 然后对肼r 进行数学分析。胛指的是非授权用户因为没有及时发现授权用户的 返回，单位时间对授权用户造成的冲突。当本次信道被感知为空闲的时候，非授权用户 在间隔f 后才会执行下一次感知，所以如果授权用户在感知间隔内返回，非授权用户则 因为不能及时发现授权用户而将对授权用户造成干扰。根据f m 的定义，及6 1 ( f ) 、矿o ) 就可以得到： 1 n t = e s s c 半m 璐寺c 巧+ 罨等- 1 ， 最后对s o v 进行数学分析，前面假设非授权用户是半双工工作方式的，它不能同警 时进行感知和传输。而s o v 指的是单位时间内由于非授权用户执行感知而使其不能进 行传输的概率。因为非授权用户在离散的时间点上周期感知信道，所以信道的o n o f f 使用信息不能准确的被非授权用户获得。为了对s o v 。进行求解，这里将引入信道的观 测模型：只有当信道的o f f 周期被发现，观测模型的o f f 周期才开始；反之当o n 周 期被发现了，观测模型的o n 周期才开始。图3 5 为信道的观测模型【l o l ： 认知无线网络中频谱感知调度算法的研究 实际信道 观测信道 图3 5 信遭观测模型 根据信道的观测模型，可以得出s o v ，如下所示【1 2 】： n 个t s o v i = ( 互跗一z u t 二) 一l 可 ( 3 1 7 ) i = 11 d 将s o v 、胛。、l o p p 代入( 3