（通信与信息系统专业论文）自组织认知无线网络跨层资源分配技术研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明够嘞 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：囊乏笋德 日期：研究生签名：翘垒叠日期： ，弘bj 1t 弘 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：碰导师签名：期：星吵：z ! 皇， 摘要 摘要 认知无线电( c o 鲥t i v el 湖i o ，c r ) 是为解决频谱资源的有效利用问题而提出的一种 重要技术。认知无线电设备能够感知周围的无线环境，并根据感知到的频谱状况调整自 己的发射参数( 如载频，调制方式等) ，以达到充分利用无线频谱资源的目的。将认知 无线电应用于自组织网络中，能增加自组织网络的可用带宽，从而极大的提高网络的容 量。因而基于认知无线电的自组织网络目前已经受到了广泛关注。在频谱使用上的灵活 性使得认知无线电能够提高自组织网络的性能，但同时也给网络的资源分配问题带来了 复杂性。 本文首先介绍了认知无线电的有关概念及其关键技术，如频谱检测、频谱分配、功 率控制等，随后分析了基于认知无线电的自组织网络所具有的特点，并综合利用物理层 的功率控制、m a c 层的频带调度方案以及网络层的路由选择方案等，建立了跨层资源 分配模型。通过仿真，分析了功率控制的作用以及跨层模型的优势，并得到了跨层模型 的近似最优解。 然后基于建立的跨层模型，分析现有的分布式算法，并通过仿真验证了现有分布式 算法的性能。现有的分布式算法通过迭代的方法沿着所选路由为各节点分配资源，并逐 步调整不同链路的速率。其中，代价函数和路由选择标准是影响分配结果的两个重要方 面。通过重新定义代价函数和重新设置路由选择标准，得到了三种改进算法。在仿真中 将改进算法与现有的算法进行比较，证明了改进算法能得到更优的资源分配结果。 关键字：认知无线电；自组织网络；资源分配；分布式算法；跨层设计 a b s t r a n a b s t r a c t c o g f l i t i v e r a i d i o ( c r ) i sa n i i i l p o r t a n tt c c h n o l o g y f o r s o l v i i l g t l l e s p e c u n d e r u _ t i l i z a t i o np r o b l e m i no r d e rt 0m a l ( eu s eo fs p e c t r u mr e s o u r c e ，ac o g i l i t i v er a d i ol l a st h e c a p a b i l i 锣t 0s e i l s e i t se n v 衲i l i l l e n t 觚da d a p t si t s 仃a n s l l l i s s i o np 觚l i i l e t e r ( e g ，c a 仃i e r 能q u e n c y m o d u l a t i o 玛e t c ) a c c o r d i l l gt 0s 1 弦c t r u 】mc o n d i t i o n w i t l lc r 印p l i e di i l a dh o c n e t w o r l ( s t h ea v a i l a b l eb a l l d 诵d t l li l lt 1 1 en e t w o r ：k sc 趾b ei n c r e a s e d ，t l l u st ：h ec 印a c i t ) ，o fa d h o cn e t 、0 r l 【si si i n p r o v e dg r e a t l y 1 1 1 e r e f o r e ，a dh o cn e t v 旧r k sb a s e do nc rh 嬲r e c e i v e d e x t e l l s i v e 础e n t i o n w i t hn e x i b i l i t ) ro fl l s i n gs p e c 虮i i l l ，c rc 觚n o to i d yi r n p r 0 v em e p e r f o m a n c eo fa dh o cn e 铆o f i 【s ，b u ta l s oa d d sc o m p l i c a t i o i l st 0 r e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e m f i r s u y ，t l l er e l a t e dc o n c e p to fc r 锄d i t sk e yt e c l m 0 1 0 9 i e s ，s u c h 勰s p e c t m md e t e c t i o m s p e c t 】r u r na 1 1 0 c a t i o na i l dp o w e rc o n 仃0 1 ，a r ei 1 1 t r o d u c e d t h e nt h ef e a t u r e so fc r b a u s e da dh o c n 酣啪r k sa r e 咖d i e d b yj o i n n yc o l l s i d e r i n gp c r v 帕rc o n 缸o li np h y s i c a ll a y e r ，丘e q u e n c y s c h e d u l ei nm a c l a y e ra n dr o u t i n gi nn e 呐o r kl a y e r ，c r o s s - l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o nn 1 0 d e l i s e s t a b l i s h e d b ys h u l a t i o n ，p o w e rc o n n d l i s 孤a l y z e da i l dt h ea d v 锄a g eo fc r o s s l a y e rm o d e l i sp r o v e d m e a i l w h j l e ，t l l ea p p r o x i m a t eo p t i m a ls o l u t i o ni sg i v e n t 1 1 e i l ，b a s e do n 缸l ec r o s s l a y e rm o d e l ，恤嘶西n a la l g o r i t i sa 蹦y z e da n d i t s p e r f o r m a i l c ei sp r e s e n t e di n l es i m u l a t i o n i i lt h ea l g o r i t h m ，r e s o u r c ei sa l l o c a t e dt 0n o d e s a l o n gt h es e l e c t e dr o u t i n gb yi t e r a t i o n 锄d 也er a t ei sa d j u s t e ds t e p b ys t e p a n dc o s t 劬c t i o n a n dr o u t es e l e c t i o nc r i t e r i aa r et 、oi m p o n ；锄ta s p e c t st 0a 日e c tr e s u l t s t h r o u 曲r e d e f i m i l l gc o s t f i l n c t i o na 1 1 dr e s e t t i l l gr o u t es e l e c t i o nc r i t e r i a ，也r e ei m p r o v e da l g o r i t l l i 】略a r ep r o p o s e d b y c o m p a r i n gt l l ei m p r o v e da 1 9 0 r i n u n s 谢t 1 1m eo r i g i i l a la l g o r i t h i l l ，s i m u l a t i o nr e s u h sp r 0 v e n l a t t h ei m p m v e da l g o r i t h m sa c l l i e v eb e t t e rr e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o n k e yw o r d ：c o 鲥t i v er a d i o ；a dh o ci l e t w o r k s ；r e s o u r c ea l l o c a t i o n ；d i s t r i b u t e da l g o r i m m ； c r o s s - l a ) r e rd e s i g n i i i 目录 目录 摘要i a b s 仃a c t i i i i |录v 插图目录一v i i 表格目录 第一章绪论l 1 1 论文背景1 1 2 论文研究内容2 1 3 论文工作安排2 第二章认知无线电技术概述5 2 1 认知无线电的基本概念5 2 1 1 认知无线电的基本术语5 2 1 2 认知无线电的定义6 2 1 3 认知无线电的主要功能8 2 2 认知无线电的关键技术9 2 2 1 频谱检测9 2 2 2 频谱分配9 2 2 3 功率控制1 l 2 3 认知无线电技术的研究现状1 2 2 4 本章小结1 3 第三章自组织认知无线网络的集中式资源分配算法1 5 3 1 认知无线电网络1 5 3 2 自组织认知无线网络的特点1 5 3 3 自组织认知无线网络资源分配研究现状17 3 4 跨层资源分配模型的建立1 9 3 4 1 网络模型与假设1 9 3 4 2 约束条件的建立2 2 3 4 3 目标函数2 5 3 5 模型仿真2 6 3 5 1 功率控制分析2 6 3 5 2 跨层方案与分层方案比较3 0 3 5 3 跨层资源分配模型分析3 2 3 6 本章小结3 5 第四章分布式跨层资源分配算法3 7 v 目录 4 1 分布式算法3 7 4 1 1 算法主要思想3 7 4 1 2 算法总体框图3 7 4 1 3 算法主要功能的实现3 9 4 2 分布式算法仿真分析4 4 4 3 本章小节4 6 第五章改进的分布式算法4 7 5 1 改进算法一4 7 5 1 1 重新定义代价函数4 7 5 1 2 仿真验证4 9 5 2 改进算法二5 2 5 2 1 改变路由选择标准5 2 5 2 2 仿真验证5 5 5 3 改进算法三5 7 5 3 1 混合方案5 7 5 3 2 仿真验证5 8 5 4 本章小结6 0 第六章总结与展望6 l 6 1 工作总结6 1 6 2 对下一步研究工作的建议6 1 j 目谢6 3 参考文献6 5 插图目录 插图目录 图1 1 六个不同地点的平均频谱利用率l 图2 1 空闲频谱示意图5 图2 2j o s e p hm i t 0 1 a 的认知循环过程6 图2 3s 疏o nh a y k i i l 的认知循环过程。7 图2 _ 4 频谱分配技术分类1o 图3 1 跨层模型框架19 图3 2 网络模型举例一2 0 图3 3 功率控制举例2 2 图3 4 随机产生的拓扑。2 8 图3 5 有功率控制模型下的结果。2 8 图3 6 无功率控制模型下的结果。2 8 图3 7 平均通信节点对数。2 9 图3 8 平均频谱利用率一2 9 图3 9 跨层模型与分层模型结果比较3 2 图3 1 0 线性化示意图3 3 图3 1l 一个随机拓扑的频带分配结果3 4 图3 1 2 四条链路的最终速率及路由3 5 图4 1 分布式算法总体流程图。3 8 图4 - 2c 邛二m i i l i m a l i s ts c h e d u l i i 培流程图4 1 图4 - 3c i p j o w e rc o n 仃o la l l ds c h e d u l i n g 流程图4 3 图4 4 频带分配结果4 5 图4 5 四条链路的最终速率和路由4 5 图4 6 四条链路的比例因子随迭代次数的变化情况4 6 图5 1 不同频带影响的差异4 7 图5 2 节点可获得的频带个数的影响4 8 图5 3l o o 组拓扑下i l c a 与l c f a 的结果比较4 9 图5 4l l c a 与l c f a 的平均比例因子随频带数的变化5 0 图5 5i l c a 与l c f a 比例因子为零所占百分比随频带数的变化5 1 v h 插图目录 图5 6i l c a 与l c f a 的功率利用情况5 1 图5 7i l c a 与l c f a 的空间利用情况5 2 图5 8 不同的通信路径示意图5 3 图5 9i l c a 与h o p a 的平均比例因子随频带数的变化5 3 图5 1 0i l c a 与h o p a 比例因子为零所占百分比随频带数的变化5 4 图5 1 1i l c a 与h o p a 的功率利用情况。5 4 图5 1 2i l c a 与h o p a 的空间利用情况5 5 图5 1 3i l c a 、h o p a 与h o pi l c a 的平均比例因子随频带数的变化5 6 图5 1 4i l c a 、h o p a 与h o pi l c a 比例因子为零所占百分比随频带数的变化5 6 图5 1 5i l c a 、h o p a 与h o pi l c a 的功率利用情况5 7 图5 1 6i l c a 、h o p a 与h o pi l c a 的空间利用情况5 7 图5 1 7 四种算法的平均比例因子随频带数的变化5 8 图5 1 8 四种算法比例因子为零所占百分比随频带数的变化5 9 图5 1 9 四种算法的功率利用情况5 9 图5 2 0 四种算法的空间利用情况6 0 表格目录 表格目录 表3 - 1 随机产生的四条链路源、目的节点以及速率要求( 1 ) 3 4 表4 1 随机产生的四条链路源、目的节点以及速率要求( 2 ) 4 4 第一章绪论 第一章绪论 用于无线通信的频谱资源作为一种有限的不可再生的自然资源，其分配一直受到政 府的严格控制。近年来，随着无线通信业务的飞速增长，可供分配的频谱资源越来越少， 造成目前频谱资源紧张问题。但是，一些研究结果表明，目前已经分配的大量珍贵频谱 资源并未得到充分利用，甚至在很多时候处于空闲状态。显然，这和当前广泛关注的频 谱资源短缺相互矛盾。因此，解决频谱资源匮乏问题的基本思路就是尽量提高现有频谱 的利用率。认知无线电( c o g m t i v er a d i o ，c r ) 技术的出现，为解决频谱资源不足，提高 频谱利用率开创了崭新的局面，其核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞 并合理利用所发现的“空洞”的能力。 1 1 论文背景 随着无线通信业务需求的快速增长，无线频谱的稀缺已经成为无线技术应用领域无 法回避的重要问题。但是，近年来人们通过检测频谱发现，已经授权给一些用户的频谱 并没有得到充分利用。图1 1 给出了在六个不同地点实测的频谱平均利用率的结果【。 p m a t e l r 0 t n e r s ：3 0 - 5 4m t v2 6 r c ：5 4 - b bm h 臣 a | r t r a m cc 0 巾_ 0 i a e r 0n a 圹1 0 8 1 3 8m h 旺 f b c e dm 0 b e 声帅a t e 嵋0 廿1 e r s ：1 3 8 1 7 4m h 眨 t v7 1 3 ：1 7 4 2 1 6m h 睫 m a 瑚m em 0 b i i e a m 蕾e u 咖r s ：2 16 2 2 5m h z f d ( e am 0 b ij e a e r o 0 廿1 e r s ：2 2 5 - 4 0 6m h 2 a m a t e 坷f 酞e d m 0 b i l e r a d i 0 1 0 c a t | 0 n 4 0 6 - 4 7 0m 1 v1 4 2 0 ：4 7 0 5 1 2m 2 1 3 6 ：5 1 2 6 0 8m t v3 7 5 1 ：6 d 8 - 6 9 8m h z 1 v5 2 6 9 ：6 9 8 - 8 0 6m p 乜 c e m 0 帕a 倒s m r ：叩6 9 0 2m u r _ i c e n s e d ：9 0 2 9 2 8m p a g i n g s m s f k e d b a 啦a r 妇f m s ：9 2 8 - 9 0 6m h 窿 i f f t c a n g p s 0 廿1 e r s ：9 6 口1 2 4 0m a m a t e u r12 4 d 一1 3 0 0m 卜眨 a e r or a d a r m i t a r y ：13 0 0 1 4 0 0m h z s p a c e ，s a t e l l n e f k e dm 0 b u e t e l e m e t r v ：1 4 0 0 1 5 2 5m m d b i i es a t e _ 忙e g p s m e t e o r o l o g i c f a i ：15 2 5 1 7 1 0m h 旺 f j e d f i e dm 0 b e ：17 1 口。1 8 5 0m h 窿 p c s a 乱价1 s 0 ：18 5 0 1 9 9 0m h z t va l ：19 9 0 2 ”0m h 它 c 0 mm o nc a r n e 懵p r | v a t e m d s ：21 10 2 2 0 0m s p a c eo 口e r a a o n f e d ：2 2 0 0 2 3 0 0m m a 七刚r w c s d r s ：2 3 0 d 一2 3 6 0m h 窿 te l 即e ：2 3 6 d 一2 3 9 0m u p c s 1 8 m ( un | i c e n s e d ) ：2 3 9 0 2 5 0 0m h z l t f s m m d s ：2 5 0 0 2 6 8 6m s u r v e j i l a n c er a d a r2 6 8 昏2 9 0 0m h z 图1 1 六个不同地点的平均频谱利用率 从图中可以看出，即便是在信号传播特性较好、需求紧张的3 0 m h z 至3 g h z 频段， 频谱的利用率也相当低。同样，美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o i 衄嘶c a t i o n c o 删 1 1 i s s i o n ，f c c ) 2 0 0 2 年的频谱策略任务工作报告f 2 】也指出，目前频谱的利用情况极 不平衡，一些非授权频段占用拥挤，而有些授权频段则经常空闲，频谱利用率从1 5 到 1 东南大学硕士学位论文 8 5 不等，波动范围很大，大部分授权频谱的利用率不到3 0 。因此f c c 认为当前存 在的频谱资源缺乏的问题主要是由固定频谱分配政策导致的频谱利用率低下造成的。 而认知无线电( c o g l l i t i v e 跏i o ，c r ) 作为一种新的智能频谱共享技术，为解决频 谱资源不足、提高频谱利用率开创了崭新的局面。认知无线电作为一种智能的频谱共享 技术，能够依靠人工智能的支持，感知周围的无线通信环境，根据一定的学习和决策算 法，实时自适应地调整其自身的工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上 允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用。这将大大降低频谱和带宽限制，实 现不可再生频谱资源的再利用，为解决如何在有限频谱资源条件下提高频谱利用率这一 无线通信难题开辟了一条新的途径。 1 2 论文研究内容 本课题由国家国际科技合作项目( 2 0 0 8 d f a l 2 0 9 0 ) 、东南大学移动通信国家重点实 验室自主研究课题( 2 0 0 8 a 0 2 ) 、国家新一代宽带无线移动通信网重大专项 ( 2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 0 0 5 ) 资助，主要研究的是自组织认知无线电网络中的跨层资源分配问 题。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 针对自组织认知无线电网络的特点，建立跨层资源分配模型。分析基于认知 无线电的自组织网络所具有的特点，结合现有的自组织认知无线网络模型，综合利用每 一层可供调整的资源，如物理层的功率控制、m a c 层的频带调度方案和网络层的路由 选择方案等，建立跨层资源分配模型。通过仿真分析功率控制对资源分配的影响，以及 比较分层方案与跨层方案的性能，并由跨层方案给出资源分配结果。 ( 2 ) 寻求分布式的资源分配算法，并根据已有算法提出改进算法。由于自组织网 络中没有绝对的控制中心，所以需要采用分布式的资源分配算法。通过分析已有的分布 式资源分配算法，设计新的代价函数和路由选择标准，得到改进的分布式资源分配算法。 通过仿真，对分布式算法的结果进行分析，验证分布式算法的性能，随后将改进算法与 原有算法的结果进行比较，验证改进算法的性能。 1 3 论文工作安排 本文共分为六章，具体章节内容安排如下： 第一章介绍本文研究的背景和内容，以及论文的工作安排。 第二章首先简要介绍认知无线电技术的有关概念，然后对认知无线电的一些关键技 术如频谱检测、频谱分配、功率控制等进行简单介绍，最后介绍了目前针对认知无线电 技术的研究现状。 2 第一章绪论 第三章首先介绍自组织认知无线网络所具有的特点，然后根据其特点，综合利用每 一层可供调整的资源进行设计，建立跨层资源分配模型，以使整个网络达到最优的资源分 配。在本文所建立的跨层模型中，考虑了物理层的功率控制、m a c 层的频带调度和网 络层的路由选择等。最后通过仿真分析了功率控制的影响以及跨层模型和分层模型的资 源分配结果等。 第四章首先介绍目前自组织认知无线网络资源分配算法的研究现状，然后具体分析 了现有的一种分布式算法。该算法通过迭代的方法实现资源分配，得到近似最优结果。 在仿真中将该算法与集中式算法进行了比较，验证了该算法的性能。 第五章根据上一章的分布式算法，通过重新定义代价函数和重新设置路由选择标 准，得到了三种改进的算法。通过仿真将改进算法与现有算法进行比较，验证了改进算 法的性能。 第六章对本文进行了总结，并对自组织认知无线网络资源分配的未来研究方向提出 了一些建议。 第二章认知无线电技术概述 第二章认知无线电技术概述 2 1 认知无线电的基本概念 2 1 1 认知无线电的基本术语 在介绍认知无线的有关概念之前，首先需要明确认知无线电系统中常用的一些术语 的含义【3 】。 ( 1 ) 授权频谱( l i c e i l s e db a l l d s ) 与非免授权频谱( u n l i c e n s e db a i l d s ) 授权频谱是指那些被通信运营商所拥有的频段，通信运营商需要为使用这些频段支 付费用。非免授权频谱是指那些免费给任何用户使用的频段。 ( 2 ) 主用户( p r i i ：n a 巧u s e f ) 与认知用户( c o g m t i v ei i ou s e r ) 主用户，又称为一级用户或授权用户( 血l t h o r i z e du s e r ) ，指经过频谱管理部门授权， 在某一地区或者范围内具有合法使用某一段频谱权利的传统无线电用户，他们具有频谱 使用的最高权限。 认知用户，又称为次级用户或二级用户( s e c o n d a r yu s e r ) ，指不经过频率管理部门 授权，就可以使用已授权于授权用户的频段的认知无线电用户。 ( 3 ) 空闲频谱( v a c a n ts p e c 饥l i i l 或w 1 1 i t es p a c e ) 空闲频谱，又称为频谱空洞( s p e c t n l i nh o l e ) ，指在频率上、时间上或空间上暂时 空闲不用的频谱，包括非授权频段频谱和授权用户暂时不使用的授权频段频谱。空闲频 谱的示意图如图2 1 ，认知无线电利用空闲频谱进行通信。 功 空闲频谱 图2 1 空闲频谱示意图 ( 4 ) 主网络( p 血n a 巧n e t w o r k ，p n ) 与认知网络( c o 鲥t i v er i d i on e 咖r k ，c r n ) 主网络，又称为授权网络( l i c e n s e dn e 铆o r k ) 或一级网络，指使用授权频段进行 5 东南大学硕士学位论文 通信的网络，它们独占某些频段。现有的通信网络基本上都可称为授权网络，比如蜂窝 通信系统和电视广播系统，由授权用户和授权用户的基站等设备构成。 认知网络，又称为非授权网络( u i l l i c e n s e dn e 铆o r k ) 、次级网络或二级网络 ( s e c o n 岫rn e 铆o r k ) ，指不拥有任何频段，使用空闲频谱进行通信的网络。认知网络 可以配置为集中式的基站网络，也可以配置成分布式的自组织网络或混合式网络。 2 1 2 认知无线电的定义 认知无线电的概念最初是由j o s e p hm i t o l a 博士基于软件无线电技术提出的【4 】【5 】。但 是认知无线电技术发展到现在，其研究和应用都不再局限于最初的范畴，不同的研究者 从不同的角度对认知无线电给出了其定义和内涵。下面分别给出了认知无线电的最初定 义、从信号处理角度出发的定义以及从频谱管理角度的定义【6 】。 ( 1 ) 初始定义 认知无线电概念的提出者j o s e p hm i t o l a 博士在2 0 0 0 年的博士论文【7 】中系统地阐述 了认知无线电的内涵，给出了下述有关认知无线电的定义： “认知无线电这个术语是指这样一个观点，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( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a l l t s ，p d a s ) 和相关的网络具 有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用环境的函数以及提供最符合这些 需求的无线资源和服务。于是，认知无线电设备能够为无线传输自动选择最好和最便宜 的服务，甚至能够根据目前或即将可用的资源，延迟或提前某次传输。 该定义强调软件定义无线电( s o r 眦鹏d e f m e d 黜d i o ，s d r ) 是实现认知无线电的 理想平台，在高层通过软件实现认知无线电的学习和推理能力。但这种认识缺乏相应的 具有认知功能的物理层和链路层体系结构的有效支撑。j o s e p hm i t o l a 在其博士论文【7 j 中 给出的认知循环过程如图2 2 所示。 建立优先权 正常情况 图2 2j o s e p hm i t o l a 的认知循环过程 6 第二章认知无线电技术概述 ( 2 ) 从信号处理角度的定义 s i m o nh a y k i n 在一篇邀请文章中从信号处理的角度，进一步对认知无线电给出了一 个定义【8 】： “认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并使用人工智能技 术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 如传输功率、载波频率和调制技术等) ， 使其适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现认知无线电的两个最主要的目标 任何时间任何地点的高度可靠通信以及对频谱资源的有效利用。 j 0 s e p hm i t o l a 的认知循环过程较为复杂，s i m o nh a y k i i l 给出了一个简化的认知循环 模型【8 】，如图2 3 所示。该模型主要关注认知无线电的三个基本任务：无线资源分析、 信道确认以及功率控制和频谱管理。其中无线资源分析与信道确认是在接收机中执行， 而功率控制和频谱管理是在发射机中执行。 发射信号 发射功率控制 与频谱管理 外部无线环境 空闲频 量化信道容量 发射毋l 接收机 图2 - 3s i m o nh a y k i i l 的认知循环过程 ( 3 ) 从频谱管理角度的定义 还有一种定义是从频谱管理的角度出发的。随着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 ) 开始重新考虑频谱管理政策。2 0 0 3 年5 月，f c c 召开 了认知无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。 f c c 把任何具有自适应频谱感知能力的无线电称之为认知无线电。此后，f c c 给出了 认知无线电的狭义定义【9 】： “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定义无线电设备，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。 综上所述，我们可以得出认知无线电的一个比较清晰的概念：认知无线电是一种智 能无线通信系统，它能够自动地检测周围的环境状况，从中获取信息，并智能地调整系 统的参数( 如传输功率、载频、调制方式等) 以适应环境的变化，从而达到在不对主用 一燃 东南大学硕士学位论文 户造成干扰的条件下从空间、频率、时间等多维地利用空闲频谱资源进行通信的目的。 2 1 3 认知无线电的主要功能 由于认知无线电技术尚处于起步阶段，对于该技术的主要功能还处于讨论过程中。 当前，不同组织机构在设计实现认知无线电的总体框架中所涉及的具体内容也有所不 同。从比较完整的意义上一般认为，认知无线电系统应该具备检测、分析、调整、推理 和学习等能力【1 0 1 。事实上，这些具体功能就是一个认知循环的主要组成部分。 ( 1 ) 检测 由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检测能力，必须在可 使用的全频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。由于是免许可使用， 认知无线电必须具备迅速发现主用户的能力，在工作过程中时刻检测主用户是否处于活 动状态，从而确保不对其产生干扰。 ( 2 ) 分析 认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据( 包括频谱使用、策略使 用等) 和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的获取，那么分析就是对 相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果分析主用户的位置、 使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位置、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以及完成业务传输所需的带宽和时间等等。 ( 3 ) 调整 调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知无线电设备通过先 进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的频点和发射时机，从而成 功地完成传输。这就要求认知无线电设备能够在较宽的频段内实现不同传输方案之间的 切换，并且在突发事件发生后能够及时暂停或恢复传输，确保在不干扰首要用户的情况 下获取最大限度的传输能力。 ( 4 ) 推理和学习 由于当前无线频谱环境的复杂性，简单的检测、推理和分析可能无法获得较好的传 输性能。如何根据无线背景环境的相关数据进行分析预测是一个非常重要的课题。根据 历史数据进行推理，获得一定的参考信息，在此基础上进行调整是一个较好的解决方案。 一般来讲，这种推理和学习分为三种：第一种是基于简单固定规则，即输人、输出可以 预测；第二种是基于较为复杂的模型，运用一些模糊规则，输出结果不可完全预测；第 三种是基于学习型的模型，系统运行过程中能够不断调整模型及其参数，从而获得较好 的预测结果。当前这一部分研究相对来讲更为滞后。 8 第二章认知无线电技术概述 2 2 认知无线电的关键技术 认知无线电能够感知外部无线环境，从环境中学习，并根据环境的变化动态调整其 内部参数( 例如工作频率、发射功率、调制方式等) ，从而有效利用空闲频谱，同时避 免对其它系统的干扰。因此，认知无线电首先需要通过频谱检测来发现空闲频谱，然后 通过频谱分配以及功率控制等手段来对发现的空闲频谱进行有效的利用。下面对频谱检 测、频谱分配、功率控制等关键技术进行介绍。 2 2 1 频谱检测 实现认知无线电通信的前提和先决条件是对周围频谱环境的感知，只有对频谱进行 准确检测，才能有效利用空闲频谱进行通信。当前，无线环境检测的基本方法大致可以 分为基于发射机的检测、基于接收机的检测和多节点协同检测三种。其中，发射机检测 是分析侦听到的信号中是否存在主用户信号，而接收机检测是判断主用户接收机是否处 于工作状态。相比较而言，发射机检测比接收机检测要容易，因而目前绝大多数的研究 都是集中在发射机检测。另外，通过多节点协同检测，能够提高检测的可靠性，减小多 径、阴影的影响，但不可避免的会增加系统通信开销与复杂性。 频谱检测一般由物理层完成，物理层检测所有可用自由度( 时间、频率、空间等) 的频谱，以辨识当前可用于传输数据的信道。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极大的提高频谱侦听能力【l 。这种方法通过增强无线射频前端 灵敏度，同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高检测能力。 2 2 2 频谱分配 频谱分配是指根据需要接入系统的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多 个指定节点。频谱分配策略的选择直接决定系统容量、频谱利用率以及能否满足用户因 不同业务而不断变化的需求。因此，频谱分配问题的研究是认知无线电技术发展必须解 决的关键问题之一。 1 、频谱分配技术的分类 对频谱资源的分配往往需要考虑系统的应用需要以及系统网络结构等特点，频谱分 配技术可以从分配方式、网络结构、合作方式三个角度进行分类【1 2 】，如图2 4 所示： 9 n。-。 东南大学硕士学位论文 f 静态频谱分配 l 非合作式频谱分配 l o 第二章认知无线电技术概述 干扰温度的概念与噪声温度的概念等价，它是干扰的功率及其相应带宽的一个量 度。干扰温度乃的单位为开尔文( k e l v i n ) ，定义如下： 撇= 警 ( 2 - 1 ) 其中p 航矽表示中心频率为石带宽为b ( 单位为h z ) 范围内的平均干扰功率( 单 位为恍) ，k 为波尔兹曼常数，具体取值为1 3 8 x 1 0 2 3 焦耳开尔文。 在给定的某区域，频谱管理机构为干扰温度提出“干扰温度门限值”。干扰温度门 限值指的是在指定的区域内某段频谱所能容忍的最大干扰值。任何使用这一频段的认知 用户都必须保证对授权用户接收端的干扰不能超过该门限值。 ( 3 ) 基于定价拍卖的频谱分配模型 基于定价拍卖的频谱分配模型根据不同的网络效用需要来确定自身的目标函数，即 确定赢家胜出的规则。其网络结构一般采用集中式结构，认知无线电用户是投标者，中 心接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 或基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 在一次拍卖中充当拍卖人。在 一个拍卖轮回中，每个投标者为满足自身需要给频谱资源投标，由拍卖人根据最大化认 知无线电网络收益等原则确定胜利者。由于在频谱分配过程中引入了定价拍卖原理，使 得基于定价拍卖的频谱分配机制有很多特点。首先，由于投标者是“自私的 、“理性的 ， 每个投标者都会根据系统效用需要对可用频谱进行定价，将评估的价格传送给拍卖人， 而无需知道其他用户的信息和策略，即导致非合作的用户行为。其次，频谱分配算法需 要设计合理的执行分配时间和计算开销。最后，由于各认知用户自主出价，相互间不需 要大量的信息交互，信令开销小。 ( 4 ) 博弈论模型 博弈论已被广泛地应用于微观经济学，在无线通信的研究中，博弈论为分析动态资 源管理的问题提供了一种新的方法和模型【1 6 】。博弈论模型适用于分析认知无线电系统各 用户竞争频谱的分布式行为，各用户根据自己获得的信息单独进行决策。信道分配问题 可以建模成一个博弈的输出，在这里博弈者是认知无线电用户，他们的行动( 策略) 是 对传输信道的选择并且他们的效益和信道质量相联系。信道质量信