（通信与信息系统专业论文）认知无线电系统中的频谱接入优化控制与性能分析.pdf

浙江大学博士学位论文中文摘要 摘要 随着无线用户数目的快速增长和无线业务的蓬勃发展，无线频谱资源作为一 种不可再生的资源，其稀缺特性表现的越来越明显。认知无线电技术从一个全新 的角度给出了一种有效利用当前频谱资源的方法，它允许非授权用户( 认知用户) 在不影响授权用户正常传输的前提下，机会式地使用授权频谱进行通信，从而提 高授权频谱的利用效率。但这种动态频谱接入的方式也对传统的频谱接入技术提 出了更高的要求。本文根据不同的主用户保护模型，对认知无线电系统中的频谱 接入优化控制问题和相关的系统性能进行了分析与研究。主要从以下几个方面展 开深入研究，概述如下： 研究了基于干扰温度模型的中心控制式和分布式认知无线电网络的资源优 化分配问题。对于中心控制式认知无线电网络，首先对给定的干扰温度限制和各 条认知链路最大中断概率约束进行了合理的抽象与近似，将该系统的功率控制问 题转化为一个几何规划问题，利用凸优化理论给出了功率控制的近似最优解；在 此基础上提出了一种基于“剪枝算法”的中心式接入控制算法，并给出了一种接入 控制的近似判决方法以减少计算复杂度。对于分布式认知无线电系统，提出了一 种固定发射功率量化步长的分布式功率控制算法，并证明了所提出的算法能够同 时满足活跃链路保护和主用户干扰温度保护，且在一定条件下将分布地收敛到系 统资源的最佳配置。基于该功率控制算法，给了一种适用于认知无线电网络的分 布式接入控制算法。 研究了基于队列稳定性模型的认知多天线系统功率控制优化问题，并对系统 性能进行了分析。利用洛尼斯定理和“支配系统”理论，在给定主用户链路平均包 到达概率的情况下，研究了采用不同系统模型时两天线认知链路进行频谱接入时 所能达到的最大稳定吞吐量以及对应的各根发射天线的最优发射功率，并将上述 结论推广至具有根发射天线的认知链路。 研究了基于传输冲突模型的认知无线电网络频谱接入控制问题。针对单用户 感知能力受限但检测性能可调的认知无线电网络，分析了采用“或”原则进行数据 融合时的最优合作频谱感知算法，提出了一种启发式算法以减少计算复杂度，并 分别设计了基于这一算法的中心控制式和分布式合作检测策略。针对单个认知用 户感知能力受限且频谱检测性能固定的认知无线电网络，分别就使用“或”原则进 浙江大学博士学位论文 中文摘要 行数据融合和使用“选举”原则进行数据融合时的情况进行讨论，并给出了对应的 最优频谱接入算法。使用“或”原则作为合作检测数据融合准则时，该频谱接入算 法包括了每个信道的最优接入策略和整个认知无线电系统的最优合作检测算法。 其中，最优接入策略可以视为减少可能的传输冲突和获得更多传输机会之间的折 中；而最优合作检测算法则说明了各个认知用户应该如何选择待感知信道进行合 作检测以实现认知网络传输收益的最大化。使用“选举”原则作为合作检测数据融 合准则时，首先分析了固定合作检测性能时各个信道的最优接入策略，然后基于 该接入策略，给出了给定参与合作检测用户数目时的最优合作检测判决门限，并 提出了该判决门限的近似表达式以减少计算复杂度。最后，证明了通过对各个信 道的合作检测性能进行合理近似，该系统的频谱接入控制优化问题可以近似为一 个凸优化问题，从而提出了基于贪婪算法的频谱接入算法。 关键词：认知无线电频谱接入干扰温度队列稳定性传输冲突合作检测 ? a ：加n r e ：e 攀k r e s 。t i r e e ，t h es 眦a r c i t y 。f 砌。s p e c t r u m b e c o m e sm o r e a 1 1 d 罴三竺0 u s w i m 龇r a p i dg r o w t h 。fw i r e l e s ss u b s c 哟e r sa n d t h ef a s td e v e 】。p i 兰竺郫ss e r 。v i c e s 倒咖e r a d i o i sa n o v e lt e c h n i q u ew h i c h l e t o1 = 二竺：饨s 汕弛e e x 波谊g w i r e l e s ss p e c t r u m i t a l l o w st h eu n l i c e n s e d ( c o g n 磊 = ，o p p o r t u n i s t i c a l l y x p l o i tt h el i c e n s e d s p e c t r u mw i n l o u t c a _ u s i 叫g n i f i “c ”a n 。： 竺竺? 地e n s e d ( p r i m a r y ) u s a n dt h e r e 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h es y s t e mp 咖a n c e0 f s p e c t r u m a c = ： a n a l y z e d 风m a x i m u ms t a b l e t h r o u g h p u t o f 廿1 e c o g n i t i v e l i n l ( u s ：。= t r a n s m i s s i o n ，a n t e n n a s a n d t h ec 。玎e s p 。n d i n g o p t i m a lt r a n s m i s s i o np 。w e r ：e ： 锄钯n n ：? ? c r i v c dw ? a 鲰e d p a c k e ta r r i v i n gr a t es e l e c t e db ym e p 二姐巧l i n k 一t h 。： r e s u l t sa r et h e ne x e n d e dt 0m e c a s ei nw h i c bt h ec 。鲷i t i v e l i n kh 二n 二s i l l i s s i ： a n t e n n a s w - ea l s 。a l l a l y z et 1 1 es p e c 虮l i na c c e s s c o n t r o lp r o b l e mi nc 。印i t i v er a d i 。n e 铆。r k v 浙江大学博士学位论文 英文摘要 b a s e do nt h et r a n s m i s s i o nc o l l i s i o nm o d e l f o rt h ec o g n i t i v en e t w o r kw i t hl i m i t e da n d a d j u s t a b l es e n s i n ga b i l i t y , w es t u d yt h eo p t i m a lc o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g a l g o r i t h mw h e nt h eo r - r u l ei su s e da st h ef u s i o nr u l e ah e u r i s t i ca l g o r i t h mi sg i v e n t or e d u c et h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , w h i l et h e c e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n gs t r a t e g i e sb a s e do nt h i sa l g o r i t h ma r ed e s i g n e d f o rt h e c o g n i t i v en e t w o r k w i t hl i m i t e da n df i x e d s e n s i n ga b i l i t y , w ep r o p o s e d t h e o p p o r t u n i s t i cs p e c t r u ma c c e s sa l g o r i t h m sw h e nt h eo r - r u l ea n dt h ev o t i n gr u l ea r e u s e da st h ef u s i o nr u l e sr e s p e c t i v e l y i nt h ef o r m e rc a s e ，t h es p e c t r u ma c c e s sc o n t r o l s t r a t e g yc o n t a i n st w op a r t s ：a l la c c e s sp o l i c yt of i n dt h et r a d e o f fb e t w e e nt r a n s m i s s i o n c o l l i s i o na n do v e r l o o k e do p p o r t u n i t yi ne a c hc h a n n e l ，a n dac o o p e r a t i v es p e c t r u m s e n s i n gs t r a t e g yt om a x i m i z et h eo v e r a l lt r a n s m i s s i o nt h r o u g h p u to ft h ec o g n i t i v e n e t w o r k f o rt h el a t t e rc a s e ，w ef i r s ta n a l y z et h eo p t i m a la c c e s sp o l i c yo fe a c hc h a n n e l w h e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n ga l g o r i t h mi sg i v e n t h e n ， t h eo p t i m a lf u s i n gt h r e s h o l di sp r e s e n t e da n da na p p r o x i m a t e de x p r e s s i o ni sa l s o o b t a i n e dt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y a tl a s t ，w ep r o v et h a tt h es p e c t r u m a c c e s sc o n t r o lp r o b l e mc a nb et r e a t e da sac o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t hs o m e r e a s o n a b l ea p p r o x i m a t i o n ，a n dt h es p e c t r u ma c c e s sa l g o r i t h mi sp r o p o s e du s i n gt h e g r e e d ya 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 ，s p e c t r u ma c c e s s ，i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e ，q u e u i n g s t a b i l i t y , t r a n s m i s s i o nc o l l i s i o n ，c o o p e r a t i v es p e c t r u ms e n s i n g 浙江大学博士学位论文插图和附表清单 插图和附表清单 图1 1 ：干扰温度模型6 图1 2队列稳定性模型7 图1 3传输冲突模型9 图2 1两种功率分配算法性能比较2 5 图2 2干扰温度门限和链路发射功率、链路传输概率乘积关系图2 6 图2 3扩频增益l 和认知无线电系统接入状态关系图2 7 图2 4认知链路接收信干噪比调整过程3 8 图2 5认知链路接收信干噪比调整过程3 9 图3 1系统模型4 3 图3 2 主用户链路平均包到达速率和认知链路最大稳定吞吐量的关系5 5 图3 3 主用户链路平均包到达速率和认知链路最大最优发射功率的关系5 6 图3 4虚警概率和认知链路最大稳定吞吐量之间的关系5 7 图3 5发射天线数目不同时的系统性能5 8 图4 1信道模型6 5 图4 2中心控制式和分布式认知无线电网络模型7 l 图4 3能量检测的r o c 函数曲线7 6 图4 4不同信干噪比下的认知网络传输收益7 7 图4 5 待感知信道被占用概率和认知网络传输收益关系7 8 图4 6 合作检测分配结果和认知用户总数的关系7 9 图4 7 信道最大可容忍冲突概率门限对系统性能的影响8 0 图4 8采用不同合作频谱感知策略时的认知网络传输收益8 0 图4 9合作检测认知用户数日和传输收益以及接入策略的关系8 9 图4 1 0 可容忍冲突概率门限和系统传输收益的关系9 0 图4 1 1 信道合作检测性能和传输收益与合作检测判决门限的关系1 0 0 图4 1 2 参与合作检测认知用户数目和信道传输收益之间的关系1 0 1 图4 1 3三种不同频谱接入算法的系统性能1 0 2 v l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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，也不包含为获得浙望太堂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谢意。 学位论文作者始名，签字呲加7 年f 月寥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙逛太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阋。本人授权浙逛太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 签字日期： 浙江大学博士学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 无线通信技术的发展 1 8 9 7 年马可尼( m a r c o n i ) 第一次成功实现了横跨大西洋的无线通信，开创 了人类通信的新纪元。在这之后的短短一百多年中，无线通信技术得到了迅猛发 展，被广泛应用于人类社会的各个方面。特别是近二十多年来，一方面各种调制 解调技术理论不断涌现，无线通信理论研究不断深入；另一方面随着集成电路制 造技术的不断进步，无线通信技术也获得广泛的实际应用。从初期的第一代模拟 通信系统发展到第二代g s m 数字通信系统，从以语音传输为主的窄带通信系统 发展到以宽带多媒体传输为主的第三代移动通信系统，目前多种网络融合的第四 代移动通信系统【卜3 】也已经在世界各地开始研究和试验了。可以相信，在不远的 将来，我们将实现通信技术的最终目标：任何人( 、7 l ， h o e v g t ) 在任何时候 ( w h e n e v e r ) 可以与任何地方( w h e r e v e r ) 的任何人( w h o e v e r ) 进行任何方式 ( w h a t e v e r ) 的通信。 随着信息时代的到来，人们对传输速率和服务质量日益增长的需求促使无线 通信与个人通信系统保持指数性增长，但不断增大的通信带宽需求也使得无线频 谱资源愈发紧张。无线频谱是不可再生的资源，是无线通信赖以生存的基础：不 同于有线通信系统，无线通信系统的传输信号必须通过电磁波进行传输，不但传 输环境比有线光纤恶劣，而且受到射频器件等实现技术的限制，适合传输的频段 和带宽是有限的。例如，第二代无线通信系统可使用的频段只有9 0 0 m h z 和 1 8 0 0 m h z ，带宽只有2 0 0 k h z ；第三代通信系统使用的频段是2 g h z ，带宽也只 有5 m h z 。因此，如何充分有效地利用有限的无线频谱资源向更多用户提供更好 的服务支持，是当前无线通信技术所面临的至关重要的问题。 为了解决频谱资源紧张，通常有两种不同的思路：挖据新的可用频谱资源和 提高已有可用频谱资源的利用效率。前者着眼于开发一些尚未被使用的频点，如 6 1 1 g h z ，5 0 g h z 等等。但是这种方法受频谱资源自身的限制较大，如因为雨衰 影响，无线信号可能发生剧烈变化，无法正确传输信息；同时，受到射频器件制 造水平的限制这些频段往往并不适合信号传输。因此，大部分的研究主要还是基 于如何提高已有可用频谱资源的利用效率，进一步挖掘已有频谱资源的潜力，如 浙江大学博士学位论文 绪论 正交频分复用( o f d m ) 技术【4 1 ，多输入多输出( m i m o ) 技术 5 6 】，跨层资源优 化设计【7 母】等等。这些技术和手段都侧重于挖掘可用频谱资源的潜力，使得单位 频谱上的信息传输量尽可能提高，从一定程度上缓解了频谱需求，但并没有从根 本上解决频谱资源紧张这一问题。而认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 技术则从另 一个角度给出了一种有效利用当前频谱资源，提高频谱利用效率的新方法。 通常情况下，作为一项稀缺资源，无线频谱资源是由相关政府机构进行规划、 指配和管理的，如我国的无线电管理局，美国的联邦通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 等等。而其分配方式可以归结为：每一项被 认可的无线通信业务被授权使用一段固定的频段进行通信，非授权的业务不能使 用已被授权的频段。这种政府授权的频谱分配方式的优点在于易于管理，便于实 现。然而，随着无线通信技术的不断发展，大量新兴的无线通信业务不断涌现， 而大部分适宜传输的频段已经被授权给已有的无线通信业务，可以授权给新兴业 务或是需要扩张的已有业务的空闲频段越来越少。不仅如此，因为频谱划分具有 不连续性，所以很难找到大段的未被授权的连续频谱，这就限制了高传输速率的 宽带通信的发展。而另一方面，大量研究表明，全球授权频段，尤其是信道传播 特性比较好的低频段的频谱利用效率极低，无论是从时间纬度，或是从空间维度， 都存在着大量的空闲授权频谱。以美国为例，美国联邦通信委员会在2 0 0 2 年发 布的一份美国国内频谱资源使用情况报告中指出【lo 】，虽然频谱资源非常紧张， 但是频谱资源的浪费也十分严重，频谱利用状态极不平衡。其主要表现在非授权 频段占用拥挤，而相当一部分的授权频谱( 如电视广播业务频段) 在大部分时间 内并没有被充分利用。显然，为了支持不断涌现的新兴无线通信业务，保证现有 无线通信业务的可持续性发展，如何更为合理有效地利用空闲频谱，使不可再生 的频谱资源实现再利用，成为人们关注的焦点。为了解决这一问题，政府机构和 相关技术人员开始致力于研究动态频谱接入( d y n a m i cs p e c t r u m a c c e s s ，d s a ) ， 即允许非授权用户从授权用户处“借用”空闲的授权频段，从而在不干扰授权用户 正常传输的前提下，提高频谱利用效率。为了实现这一目标，非授权用户必须能 够根据特定时间、特定地点的具体无线电通信环境，灵活地改变自身传输模式。 作为一种新型的自适应无线通信技术，认知无线电技术很好地满足了以上要求。 它能够根据一定的学习和决策算法，动态地检测和有效地利用空闲频谱，从而使 得非授权的无线通信设备可以机会式地工作在授权频谱，实现时间、频率以及空 2 浙江大学博士学位论文绪论 间上的多维频谱复用，有效地改善当前频谱分配利用模式的不均衡性。因此，这 项技术被视为最有发展潜力的无线通信技术之一，成为当前通信领域的一个研究 热点【1 1 - 1 3 1 。 1 1 2 认知无线电技术 认知无线电技术源于j o s e p hm i t o l a 博士于1 9 9 9 年发表的一篇论文【1 3 】，他指 出，认知无线电技术是一种新型的无线通信方式，它可以通过一定的无线电知识 描述、分析、推理以及决策过程来实现对无线传输环境的认识和对通信参数的自 适应调整，是机器学习、人工智能等技术在软件无线电架构中的体现和应用，是 软件无线电技术的扩展和延伸( 1 4 】。随着近年来通信科研人员- 9 工程师对认知无 线电不断深入的研究，业界对于认知无线电的认识不断加深并趋于统一，认为它 是实现动态频谱接入和异构无线电网络机会式共存的核心技术，是现有无线电频 谱资源管理方式的有效补充。其基本概念可以归纳为【”】： 认知无线电是一种智能无线通信系统它司以感知圈国的环境特征采焉构 建理解的方法对周围环境进行学习。并通过实时地调整特定的传输参数如发射 功率载波频率调馘力式等。使得它的内部传输状态能与外界输入的无线电激 励的变化相适应以实现无论伺时伺地通信系统的高可靠性和频谱熟甬的高效 烂。 从上述分析中可以看出，认知无线电技术的关键在于，如何对周围环境进行 有效感知并根据感知结果进行频谱接入。具体来说，用于动态频谱接入的认知无 线电系统必须能够感知到授权频段上的“频谱空洞”( s p e c t r u mh o l e ) ，并通过调整 接入策略、发射功率等方式合理地利用这些“频谱空洞”，以在保证主用户系统传 输质量的同时实现高速可靠的信息传输 1 2 , 1 6 , 1 7 】。因此，如何准确有效地进行频谱 感知与建模，以及如何根据感知结果进行传输是认知无线电技术中需要解决的两 个关键f , q 题1 9 1 。 h a y k i n 在文献 1 5 】中全面总结和阐述了认知无线电的基本概念、体系架构以 及所涉及的关键技术，并提出了分布式频谱接入访问和发送功率控制的基本恩 想。虽然h a y k i n 所提出的很多只是一种思路和设想，并没有具体算法和结果来 支持验证，但是他的想法无疑给其他学者指出了努力的方向。在他之前和之后， 已经有许多学者就认知无线电技术的不同方面分别进行了研究与探索。在频谱感 知方面，认知无线电应当能够扫瞄所有自由度( 时间、频谱和空间) 上的资源， 3 浙江大学博士学位论文绪论 以发现尽可能多的“频谱空洞”【2 0 2 1 1 。除了使用能量检测、匹配滤波器检测等常规 的信号检测方法，有学者提出基于主用户信号循环谱特征的循环谱检测法 2 2 ，2 3 1 。 文献 2 4 介绍了具有多分辨率的宽带频谱感知技术，而文献 2 5 】则对多频带 o f d m 系统中的频谱感知方法进行了相关研究。另外，考虑到单个认知用户受 到阴影衰落和噪声干扰，频谱检测结果可能存在错误 2 6 , 2 7 1 ，研究人员还证明了利 用多个认知节点进行合作检测能够有效提高检测的可靠性和准确性【2 8 - 3 2 。在频谱 接入方面，m i t o l a 等人提出了标准的无线礼仪框架，给出了用户之间选择频谱的 协商机制 3 3 1 ；g h a s e m i 等人研究了干扰温度限制下认知用户的最优功率和速率控 制策略【蚓；p o p o v s k i 等人则提出了一种机会式干扰消除的方法以提高认知用户的 传输速率【3 5 1 。博弈论作为一种有效的分析用户交互过程的工具，也成为了认知 无线电系统资源分配问题的研究热点 3 8 1 。 作为一种新型的通信理论，认知无线电技术也引起了许多信息论学者的高度 重视。哈佛大学的d e v r o y e 等人【3 9 4 0 1 研究了认知无线电信道的容量极限，认为认 知信道可以看作干扰已知的特殊的干扰信道，所以可以运用g e l f a n d p i n s k e r 编码 方法【4 1 】达到认知用户容量极限。但是这种接入方法在获得认知用户容量极限的 同时将对主用户传输造成较大干扰，不满足保证主用户链路正常数据传输的要 求。因此，v i s w a n a t h 等人在文献 4 2 中研究了当认知用户同时传输自身信息和 主用户信息时，在保证主用户链路数据传输速率不变的前提下所能取得的最大传 输速率。类似的，文献 4 3 认为认知用户可以使用脏纸编码( d i r t y p a p e rc o d i n g ) 的方法，在不干扰主用户链路传输的同时进行通信。j a f a r 和s r i n i v a s a 则考虑了 认知链路的发射机和接收机所感知到的频谱空洞信息并不完全相同时，认知无线 电系统的信道容量啪】。文献 4 7 ，4 8 】中则对认知无线电网络中修正的高斯多接入 信道的可达速率区进行了研究，并证实了作为一种不对称的合作行为，认知网络 所能达到的容量区必然以主从用户合作和竞争的情形为其上下界限。 在上述理论研究的推动下，认知无线电技术的智能系统验证和实现也正在兴 起：美国维吉尼亚无线通信技术中心设计了认知无线电仿真和硬件试验平台 4 9 】， 加州大学伯克利分校则建立了仿真平台研究和分析频谱感知等相关技术 5 0 , 5 1 。目 前世界上已经产生了第一个基于认知无线电网络的全球标准【5 2 1 ，并在标准化进 程中。可以预见，在不远的将来，认知无线电技术将有效服务于我们的生活。 4 浙江大学博士学位论文绪论 1 2 主用户保护模型 在进行动态频谱接入时，主用户系统作为授权用户，可以对频谱进行按需、 优先地使用，而不需要考虑认知无线电系统可能造成的干扰；而作为非授权用户 的认知无线电系统，有义务在传输过程中保证不对主用户系统的传输造成干扰。 所以认知无线电系统必须能够实时可靠地对主用户系统的传输状态进行感知及 建模，及时调整自身系统参数，从而在保证主用户链路正常传输的前提下，充分 利用空闲频谱资源以实现高速可靠的传输。如何对当前频谱状态和主用户链路传 输状态进行准确有效地感知和建模，以保护主用户链路正常传输是认知无线电技 术研究中不可回避的问题。许多学者就此问题进行深入研究，并提出了不同的主 用户保护模型。本节将就几种常用的主用户保护模型进行介绍与分析。 1 2 1 干扰温度模型 在传统的通信系统研究中，链路传输质量通常是以发送端为中心进行考虑， 研究人员希望通过控制链路发射端的发射功率大小，以保证接收端的接收信干噪 比满足链路传输性能要求，即认为干扰可以在发送端被控制。但实际上千扰总是 发生在接收端，而且经常存在不可预测的干扰源使噪声基准增大，引起信号传输 性能下降。所以，以发射端为中心的干扰控制理论具有一定局限性。 为了解决这一问题，美国联邦通信委员会( f c c ) 于2 0 0 3 年提出了一种全 新的，以接收端为中心的度量指标：干扰温度( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e ) 【5 3 】。干 扰温度是一种量化和管理干扰的模型，类似于噪声温度，可以定义为接收天线单 位带宽上收到的平均干扰功率，即： 乃( 正，召) ：盟掣， ( 1 1 ) 其中f c 代表频谱的中心频率，b 代表频谱带宽，弓( z ，丑) 是该频谱接收到的 平均干扰功率，鬈是波尔兹曼常数。如果频谱带宽b 的单位是赫兹，而平均干扰 功率e ( z ，b ) 的单位是瓦，则l c = 1 3 8 x 1 0 功焦每开尔文。 通常情况下，无线链路的传输质量总是和接收端的接收信干噪比相关。而当 链路传输带宽和接收端接收到的信号功率给定时，接收端的干扰功率的大小决定 了接收信干噪比，因此使用干扰温度作为链路传输质量的度量指标是十分合理 的。不仅如此，使用干扰温度这一模型时，认知无线电系统可以将相关频段的干 扰与噪声信息表达为一项数据，而不需要对它们分别进行测量，从而减少了实现 5 浙江大学博士学位论文绪论 复杂度。 p o w e r 缸 r e c e i v e l telicensed s i g n a l m i n i m u ms e r v i c e r a n g ew i t h i n t e r f e r e n c ec a p ) p p o r t u n i t i e s i 一 贮咖m 触辐 s e r v i c er a n g ea t o r i g i n a ln o i s ef l o o r 。歹 a6 散心il 一矗1r 。 a 八腓；陌丙、一e x ”i 。?j ? ”+ ? ? ， 。?一?nr“ 箩霪i蜘aj n o i s ef l o o r 秀 级f z # 锄t 二蛭：m 幺磁二。纰貔疏鱼激 z 越j 。i 、僦鲢一 缸盔。貔瑾捌躲螂如荔胂l 。2 砘& 。红。廛辱；舭 积，；z 扇瓤：斌。煮鬟 图1 1 ：干扰温度模型 进一步，对于特定地理位置，美国联邦通信委员会制定了给定授权频段的干 扰温度限互，如图1 1 所示。干扰温度限定义了特定位置处给定频段的最大可容 忍干扰，由授权用户( 主用户) 接收机正确接收信号时所能容忍的最大干扰决定， 任何使用该频段的非授权用户( 认知用户) 都必须保证在传输过程中授权用户接 收端新增加的干扰温度加上原有干扰温度不能超过这一门限。也就是说，给定某 个授权频段，如果主用户接收机处的干扰温度没有超过对应的干扰温度限，则等 候服务的认知用户可以使用这段频谱进行传输；同时，传输过程中认知用户的发 射功率上限也由干扰温度限给定。 干扰温度这一概念物理意义清晰，易于建模。认知无线电系统只要知道主用 户接收端当前干扰温度乃和授权频段的干扰温度限正，就可以很方便地判断出是 否接入该信道，发射功率最大值为多少。因此，这一概念提出不久后就被广泛应 用于认知无线电理论研究 5 4 - 5 6 】。但实际实现中，当认知无线电系统和主用户系统 所使用的频段并非完全重合时，公式( 1 1 ) 中的频谱中心频率疋和频谱带宽b 应当 如何确定仍存在争议。具体来说，可以将其划分为两种不同的干扰温度模型【5 7 ，5 即： 理想模型( i d e a lm o d e l ) 和通用模型( g e n e r a l i z e dm o d e l ) 。其主要区别在于，在 理想模型中，干扰温度在主用户接收机处测量，不同主用户链路具有不同干扰温 度门限，同时认知用户可以准确区分不同主用户信号和干扰信号；而在通用模型 中，认知用户可以使用“测量点”( m e a s u r e m e n tp o i n t ，m p ) 测量干扰温度，不 同的主用户信号不作区分。对比两种模型，理想模型准确性高，建模也更合理， 6 浙江大学博士学位论文绪论 但实现较复杂。特别是当主用户系统中只存在下行广播信道时，如无线电视广播 系统，认知用户无法通过检测主用户发射端的发射信号获得主用户接收端的相关 信息。虽然文献 5 9 ，6 0 分别针对这一问题提出了不同的解决方案，如测量主用户 接收机射频前端本地晶振的能量泄漏，以及根据主用户链路发射端信息估算对应 接收端位置范围等，但这些方法复杂度较高，不易于实际系统实现。而相对来说， 采用通用模型时，虽然由于对不同主用户信号不作区分，可能造成一定性能损失， 但结构简单，容易实现，所以本文第二章的讨论中也采用这种模型。 1 2 2 队列稳定性模型 不同于上一小节所讨论的干扰温度模型，文献 6 1 6 3 中使用了一种基于队列 稳定性的主用户保护模型。如图1 2 所示，该模型假设主用户链路和认知链路以 时分方式使用授权频段，并定义砧和五分别为主用户链路和认知链路待发送数 据包到达过程的均值。在两条链路的发射端都具有一个无限长的缓存用于存放待 发送数据包，属于同一条链路的数据包具有相同的长度，发射端发送一个数据包 所需要的时间正好为一个时隙，并且只有当前时隙缓存中待发送数据包数目为零 时主用户链路才停止发射。在传输过程中，受到信道衰落，噪声干扰等影响，接 收端可能无法正确接收当前时隙发送的数据包，那么它将要求发射端对这个数据 包进行重传睇】。( 由于关注的是认知用户如何对主用户链路信息传输进行保护， 为了突出重点，这里不对各条链路的a c k 和n a c k 等信号进行建模。) 图1 2 队列稳定性模型 根据排队论理论f 6 5 1 ，对于给定队列i ，当且仅当时间t 趋于无穷时，队列为 空的概率不为零时，队列是稳定的，即： 嫩町q j ( r ) = o o ， ( 1 2 ) 其中，q ( f ) 代表队列i 在时隙t 时的队列长度，等于此时队列中待传输的数 7 浙江大学博士学位论文绪论 据包个数。而当且仅当系统中所有队列都是稳定时，我们称这个系统处于稳定状 态【6 6 1 。 当队列的到达概率和离开概率是稳定的时候，可以使用洛尼斯定理( l o y n e s t h e o r e m ) 对队列稳定性进行判断6 7 】：当队列的平均包到达概率元小于队列的平 均包离开概率一时，队列是稳定的；反之，当队列的平均包到达概率五大于队列 的平均包离开概率“时，队列是不稳定的；而当队列的平均包到达概率五等于队 列的平均包离开概率肛时，队列可能是稳定的，也可能是不稳定的。 如果主用户链路和认知链路的传输信号是完全正交的，如两个系统使用不同 频段或者同一频段的不同时隙进行传输，那么两个传输队列是彼此独立的，根据 上述队列稳定性分析可以得出，当两条链路的平均包到达概率不低于各自的平均 包离开概率，也就是链路的非中断概率的时候，系统是稳定的。但是，如果认知 链路和主用户链路同时使用授权频段进行传输，两条链路的传输信号将互相造成 干扰。此时主用户链路是否存在待发送数据包将直接影响认知链路的平均数据包 离开概率，反之亦然。由于这两个队列的平均包离开速率是不稳定的，无法直接 使用洛尼斯定理对队列稳定性进行判断。因此，根据文献 6 8 ，可以使用一种基 于“支配系统”( d o m i n a n ts y s t e m ) 的方法以解决这个问题。在支配系统中，当链 路的待发送数据包队列长度为零时，它将发射一种不包含实际传输信息的虚假数 据包( d u m m yp a c k e t s ) ，而不是停止传输。这样，无论链路发射端是否有待发送 数据包，它将始终对另一条链路的传输造成干扰。此时，两条链路的包离开过程 都是稳定的，所以可以使用洛尼斯定理对这种支配系统的队列稳定性进行验证。 文献 6 8 也证明了这种新系统和原有系统的队列稳定性是完全一致的：一方面， 支配系统的队列长度总是大于原有系统的，所以如果该系统是稳定的，原有系统 也是稳定的；另一方面，如果支配系统是不稳定的，此时发射虚假数据包的概率 为零，它将退化为原有系统，也就是说，原有系统也是不稳定的。因此，在认知 链路和主用户链路同时使用授权信道进行传输的系统中，同样可以使用洛尼斯定 理对队列稳定性做出判决。 根据上述分析可以看出，为了确保主用户链路的队列稳定性，认知链路在使 用授权频谱进行传输的过程中必须保证主用户链路的平均数据包离开速率不小 于平均包到达速率。考虑到主用户链路的平均包离开速率等于传输非中断概率， 8 新 学博学位论文 而后者又和主用户链路接收端的接收信干噪比相关，所以，认知链路在传输过程 中需要调整自身的发射功率或接入授权频段的策略，毗保证主用户的平均传输吞 吐量。 下面，对干扰温度模型和队列稳定性模型做一个简单的比较。在干扰温度模 型中，认知无线电系统需要对主用户链路接收端的干扰温度进行测量计算，并保 证主用户接收端处原有的干扰温度加上认知用户传输造成的干扰温度不超过给 定的干扰温度限。当主用户链路接收信号功率固定时，这一限制可以等价为认知 无线电系统在传输过程中必须保证主用户链路的接收信干噪比总是满足一定限 制。而在队列稳定性模型中，这一要求被放宽至保证主用户链路的即时接收信千 噪比满足给定门限的概率。另一方面，不同于队列稳定性模型，干扰