毕业设计（论文）-认知无线电系统频谱共享问题研究.doc

装订线认知无线电系统的频谱共享问题研究摘 要随着无线通信技术的快速发展，无线用户的数量急剧增加。虽然无线频谱拥有非常大的带宽，但是频谱资源仍然出现了匮乏的状况，并且已经开始制约无线通信技术的发展。如何提高频谱的利用率和研究高效的频谱管理方案成为了当务之急。在这种情况下，认知无线电技术应运而生。认知无线电提出之初被普遍的认为是解决频谱资源缺乏的新思路和好方案，随着研究的深入更加坚定了这个思路的正确性。认知用户利用认知无线电技术感知周围的无线环境，找出“频谱空洞”，进而根据自身的传输需求选择合适的频道进行通信。同时当发现信道环境发生变化或者授权用户接入时,就会切换到其它的可用信道。这样动态的频谱切换能够提高通信质量，并减少对授权相户的干扰，这就是频谱共享。频谱共享技术是认知无线电相同系统中最重要的技术之一。频谱共享技术建立在频谱感知的基础上，根据感知结果调节通信参数来进行可靠的通信，实现认知用户与授权用户的共存和二者间有效的频谱共享。本论文主要考虑集中式认知无线电网络结构下，认知用户与授权用户之间的频谱共享，各认知用户主要进行非实时业务的数据传输。非实时业务的服务质量(QoS)特性主要包括对时延的要求很低，而对速率和可靠性的要求却很高。在本文中，对非实时业务的这种QoS特点进行了充分的考虑，深入学习并研究了一种有效的频谱共享算法。该算法采用一种改进的调度方案控制各认知用户间的频谱接入，结合自适应传输速率，根据无线链路质量为接入的用户分配带宽。仿真结果表明，该算法可以有效的提高用户传输速率，提升系统的频谱利用率。关键字：频谱共享,分组调度,非实时业务,自适应传输速率,收益函数ABSTRACTAs the rapid development of wireless communications technology, the number of wireless users dramatic increased. Although the radio spectrum has a very large bandwidth, the spectrum resource is scarce. The scarcity of wireless spectrum hampers the sustainable development of wireless communications services. How to improve the spectrum utilization and develop efficient spectrum management scheme has become a pressing matter of the moment. Cognitive radio (CR) technology emerged under these circumstances. Cognitive radio is generally considered to be an effective solution for spectrum scarcity, which has been confirmed along with the development of research. The cognitive users (CUs) sense the wireless environments, and then find the spectrum hole. According to their transmission requirements, CUs select appropriate channels. If the environment changes or the primary users (PUs) access, CUs switch to other available channels. These dynamic spectrum switches, which are called spectrum sharing, improve CUs transmissions and reduce interference to PUs. Spectrum sharing is one of the most important techniques in CR systems. Based on spectrum sensing, spectrum sharing technology adjusts transmission parameters for reliable communications. Consequently, CUs can coexist with PUs and share the spectrum efficiently. In this thesis, we consider spectrum sharing with non-real-time services in centralized cognitive radio networks. QoS of non-real-time services mainly include low requirements of time delay and high requirements of rate and reliability. According to such QoS characteristics, an efficient spectrum sharing algorithm is studied and discussed. The algorithm admits CUs to access based on an improved scheduling scheme, and allocates spectrum with adaptive transmission rate according to the channel quality of the access users. Simulation results show that this algorithm can effectively improve the transmission rate of CUs, and enhance the system spectrum efficiency.KEYWORDS: cognitive radio; spectrum sharing; packet scheduling; non-real-time services; adaptive transmission rate目 录目 录3第一章 移动通信51.1移动通信系统的基本概念51.2移动通信系统的发展趋势61.3 认知无线电技术的发展对于移动通信发展的重要意义7第二章 认知无线电92.1认知无线电系统92.1.1认知无线电的基本原理92.1.2认知无线电系统的结构分类102.1.4 认知无线电的关键技术112.1.5 认知无线电技术的应用122.2认知无线电需要解决的问题132.3认知无线电网络中频谱共享策略142.3.1频谱共享的概念142.3.2频谱共享的分类152.3.3 频谱共享的挑战性问题182.4国内外研究频谱共享的方法19第三章 基于分组调度的频谱共享213.1分组调度213.1.1 分组调度的概述213.1.2 分组调度原理213.1.3 分组调度面临的问题233.1.4 分组调度典型算法243.2 基于分组调度的认知无线电频谱共享273.2.1 基于分组调度的认知无线电频谱共享的意义273.2.2 认知无线电调度主要研究的问题283.2.3 基于分组调度的认知无线电频谱共享研究的模型293.3 基于分组调度的频谱共享的系统实现和仿真设计293.3.1系统实现303.3.2仿真设计303.4仿真结果分析333.4.1仿真环境参数设盖333.4.1 非授权用户平均吞吐量的仿真333.4.3 非授权用户公平性的仿真353.4.4 频谱共享性能仿真36第四章 基于分组调度的频谱共享改进算法384.1 问题描述及分析384.2 基于调度的频谱共享方法改进394.2.1 系统模块394.2.2 自适应函数404.2.3 用户调度设计414.2.4 系统收益434.2.5 算法实现444.3 基于调度的频谱共享改进算法的仿真444.3.1 仿真设计444.3.2 仿真结果分析45第五章 总结与展望515.1 研究课题总结515.2 研究不足与展望515.3 结束语52第一章 移动通信1.1移动通信系统的基本概念移动通信是指通信的双方或至少有一方是在移动中进行信息传输和交换的。随着社会发展和科学技术的进步，人们希望随时随地、迅速可靠地与通信的另一方进行信息交流。这里所说的“信息交流”，不仅指双方的通信，还包括数据、传真和图像等通信业务。例如固定点与移动体（如汽车、轮船、飞机）之间、移动体与移动体之间、人与运动中的人或人与移动体之间的信息传递，都属于移动通信。由于移动通信是移动体在运动中进行通信联系的，信号的传输必须依靠无线电波，因此无线电通信是移动通信的基础。移动体与固定体之间通信联系时，除了要依靠无线通信技术之外，还要依赖于有线通信网络技术。例如公众电话网、公众数据网、综合业务网。通信系统时包括双方通信设备在内的整体。移动通信系统包括公用陆地蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话系统、集体移动通信系统、卫星移动通信系统和无中心移动通信系统等。目前应用最广泛的时公用蜂窝移动通信系统。它具有涉及的技术领域广、技术新、网络能力强等特点。他的发展代表着整个移动通信未来的方向。随着电子技术，特别是半导体、集成电路和计算机技术的发展，移动通信技术得到了迅速发展。随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。20世纪80年代以来，移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一1。1.2移动通信系统的发展趋势1897年意大利科学家M.G马可尼在赫兹实验的基础上成功实现了陆地和一只拖船之间利用无线电波进行信息传输，证明了在移动体之间以无线方式进行通信的可行性。但在此后相当长的一段时间内，移动通信的发展一直相当缓慢，只在短波的几个频段上开发出了专用移动通信系统，而且一般只用于军队和政府部门。但在十几年以来，移动通信的发展极为迅速，已广泛用于国民经济的各个领域和人民的日常生活中。移动通信的发展大致经历一下几个发展阶段：第一代模拟蜂窝移动通信系统20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统，人们把它成为第一代移动通信系统。这是一种以微型计算机和移动通信相结合，以频率复用、多信道共用技术和全自动地接入公共电话网的小区制、大容量蜂窝式移动通信系统，在美国、日本和瑞士等国家先后投入使用。主要技术是模拟调频、频分多址，主要业务时电话。代表这一系统的有：AMPS系统称为先进的移动电话系统、TACS系统称为全向接续通信系统，是英国研制的通信系统，属于AMPDS系统的改进型、NMT系统称为北欧移动电话。模拟系统的主要缺点是：频谱利用率低，容量有限，系统扩容困难；制式太多，互不兼容，不利于用户实现国际漫游，限制了用户覆盖面；不能与ISDN兼容，提供的业务种类受限制，不能传输数据信息；保密性差，以及移动终端要进一步实现小型化、低功耗、低价格的难度都较大。第二代数字蜂窝移动通信系统：它是以数字信号传输、时分多址、码分多址为主体技术，频谱效率提高，系统容量较大，易于实现数字保密、通信设备的小型化和智能化，标准化程度大大提高等。制定了更加完善的呼叫处理和网络管理功能，克服了第一代移动通信系统的不足之处，可与窄带综合业务数字网兼容，除了传送语音外，还可传送数据业务，如传真和分组的数据业务等。第三代数字蜂窝移动通信系统：它只能提供语言和低速数据（9.6kbits）业务的服务。但是在信息时代，图像、语音和数据结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量将会大大增加。为了满足更多更高峰的业务以及更高频谱效率的要求，同时减少目前存在各大网络之间的不兼容性，一个世界性的标准未来共用陆地移动电话系统FPLMTS应运而生，1995年，又更名为国际移动通信2000（IMT-2000）。IMT-2000支持的网络被称为第三代移动通信系统，是在全球范围内覆盖和使用提供宽带多媒体业务。为了在未来的全球化标准中占据一席之地，各个国家、组织和公司纷纷提出自己的建议和标准，被ITU接受的候选标准多达10种之多。其中欧洲提出的WCDM和北美提出的cdma2000最为大家看好；中国提出的TD-SCDMA由于得到了中国政府和产业界的支持，加之中国巨大的市场潜力，因此也格外引人注目。第四代移动通信系统：它的标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信系统可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带介入互联网（包括卫星通信），能够提供出信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能，是多功能集成的宽带移动通信系统或多媒体移动通信系统。第四代移动通信系统应该比第三代移动通信系统更接近个人通信1。1.3 认知无线电技术的发展对于移动通信发展的重要意义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”，并合理利用所发现“频谱空穴”的能力，将其运用语无线通信中，会对现有移动通信行业产生深远的影响。便于多种网络技术协同进行，提升运营商业务服务质量，降低建网络前期投入成本。未来对于拥有多种技术制式网络的移动运营商来说，可以使用认知无线电技术和软件无线电技术使用户在不同网络之间进行切换。例如，当用户在使用2G移动网络进行通信时，由于网络覆盖有限或网络繁忙，用户可通过认知无线电技术进行频谱检测，当检测到支持或WiMAX等技术的网络频谱可用时，用户回自动切换到该可用频谱，同时，通过软件无线电改变当前的网络制式，保障通信业务的正常运作，使用户平滑过渡扫新的频谱和新的网络中，实现真正意义商的无缝切换。应用此方式将使得运营商现有的多种网络技术可以协同运作，大大提升业务服务质量，也有助于运营商降低建网前期的投入成本。大限度利用运营商所持有频谱的能力，提高频谱使用效率和用户吞吐量。对于频谱管制者而言，认知无线电技术可以大大提高可用频谱数量和频谱利用率，有效利用资源；可以在不受干扰的前提下开发二级频谱市场，在相同频段上提供不同技术的服务。同时，在移动蜂窝网通信中，当遇到小区忙时，应用CR技术自动检测并进行自我调节，最大程度利用运营商所持有频谱的能力，提高小区内用户的吞吐量。使更多的企业进入移动通信领域，加剧移动通信市场竞争，对电信监管带来新的挑战网络开放称为未来无线通信必然的发展趋势，随着无线电频谱资源的日趋紧张，很多想进入该领域的企业苦于无可用的频谱资源。美国FCC今年对700MHz黄金频段进行了拍卖，根据拍卖结果，获得该频段的网络运营商必须将其网络向其他终端服务商和软件服务商开放，这一政策使得更多的第三方服务提供商也有机会进入该领域。而网络开放所依赖的核心技术脱离不了认知无线电的框架及其技术支持。通过认知无线电技术，未来将有更过的第三方提供商和虚拟运营商进入移动领域，为用户提供低廉的通信服务。这是比会加剧移动通信市场的竞争程度，但如何对这些新进入者进行有效的监管也称为电信监管机构必须面对的挑战。对现有移动通信网络的维护和管理带来新的挑战认知无线电技术引入现有的移动通信网，在提升网络容量和覆盖能力的同时，也是的网络维护的负担加大。由于应用认知无线电技术后，认知移动用户可能回频繁地切换使用频率，使得网络控制系统的处理工作量加大，因此对网络的维护和管理将带来新的挑战。第二章 认知无线电2.1认知无线电系统2.1.1认知无线电的基本原理认知无线电通过“无线电知识表达语言”（RKRL）这个新语言来提高无限业务的灵活性。Jeseph Mitola 在博士论文中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为一个扩展的软件无线电平台-一个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。Mitola 的认知无线电给出了一个主要在应用层的、以通信前后环境和定位为基础的认知圈（Cognition Cycle）模型。他提出认知无线电是软件无线电的特殊扩展，以模型为基础进行关于用户和通信环境的推理。定向计划观察学习决定新状态旧状态外部射频环境行动该图描述认知无线电与环境（Outside World）进行信息交互，及外界刺激和变化进入认知圈，最终得到相应。流程是：认知无线电持续的观察环境（Observe）、自身定位（Orient）、制定计划（Plan）、学习（Learn）、判决（Decide）、并执行。这些阶段架置了机器学习（Machine Learning）能力。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搜出的环境，这些信息流主要包括无线电广播、短距无线电广播及射频LAN等。在观察阶段，认知无线电也通过读取侧位、温度等传感器来推断用户的前后通信环境。认知无线电可通过决定外界刺激和优先级来对自己进行定位，比如，动力故障能够直接引起执行阶段的反应，在上图中“Immediate”（即刻）表示，网络中信号不可恢复的丢失，可能引起资源的重新分配，如，通过分析输入信息流搜索另外的射频信道，在图中以“Urgent”（紧急）表示；通常情况下，认知无线电会对输入信息产生计划，在途中以“Normal”（正常）表示。计划阶段包括对偶然事件进行推理。在判决阶段，认知无线电在将从候选计划中做出最合适的选择，在执行阶段触动选中的程序。学习室观察和决定阶段的功能函数，比如，将目前和先前的内部状态与期望值进行比较。认知无线电就能够知道现在通信模型的有效性。认知圈将最终结果翻译成逻辑输出，送至系统软件无线电，启动在特定时间内占据塔顶无线资源的任务。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使用许可的用户对法定用户不产生任何干扰的情况下用以分配的许可频段。这样以后总无线电通信也被称为认知无线电。 综上，可以这样定义认知无线电：认知无线电是一种智能无线电通信系统，它能感知周围环境，运用“理解-构建”的方法学，从周围环境中获取信息，并 更难过实时改变诸如传输功率、载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化。认知无线电两个主要目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用率，它应当具有两大主要特征：认知能力、重新配置能力。认知无线电最终的目的是通过认知和重新配置获得最好的可用频2。2.1.2认知无线电系统的结构分类(1) 基于结构的频谱共享技术可分为集中式频谱共享和分布式频谱共享；集中式频谱共享：集中单元控制频谱分配和接入过程。网络中的每个分布式节点都把自己探测感知的频谱信息汇聚到集中控制单元，有控制但愿绘制出频谱分配映射图。分时频谱共享：分布式主要应用在不能构建集中式结构的场合。相应地，每个分布式节点都参与频谱分配，同时，频谱介入是有节点的本政策确定的。(2) 基于频谱分配行为的共享技术，可分为合作式频谱共享和非合作诗频谱共享。 合作式频谱共享：合作式考虑到节点的行为回影响到其他节点。也就是说，每个节点的感知所得会与其他节点分享。而且，频谱分配算法也会考虑这些信息，集中式解决方案可以看作式合作式的，同时页存在分布式的合作方案。 非合作式频谱共享：与合作式不同，非合作式仅仅考虑自己节点的行为，因而这种方案也就被称为是“自私的”。非合作式可能会导致频谱利用率的降低，但在实际应用中，它对其他节点的通信要求最低。(3) 基于接入技术的频谱共享可分为覆盖式（Overlay）频谱共享和衬垫式（Underlay）频谱共享。 Overlay频谱共享：它就是一个认知节点利用未被使用的一段频谱介入网络。它对第一用户造成的干扰最小。 Unerlay频谱共享；它利用了蜂窝网络的频谱扩展技术。一旦获得了频谱分配影射图，认知节点便开始传输。在这段频谱上，第一用户把认知节点的当成噪声处理。因而Underlay频谱共享需要复杂的频谱扩展技术。于Overlay频谱共享相比，它可以利用更宽的带宽。2.1.4 认知无线电的关键技术根据认知无线电的定义和特点分析，认知无线电的关键技术主要包括认知信息获取技术、动态频谱管理技术、信道估计与预测技术和自适应传输及重配置技术。此外，认知无线电的一大特点是应用人工智能技术认知环境并进行自适应调整和重配置。这些关键技术构成认知无线电的核心功能。认知无线电中的关键技术及其关系如下图所示。外部无线环境 RF激励认知信息获取 信号传输 其他系统或用户 频谱共享、协商 动态频谱管理，自适应传输及重配置 频谱空洞 信息 频谱空洞 信息 信道估计与预测信道容量(1)认知信息获取技术认知无线电通过感知/检测空中信号频谱或访问频谱信息数据库等技术获取所处无线环境中的认知信息，如频谱空洞信息、网络服务信息等。(2)信道估计与预测技术根据从环境获取的频谱空洞信息，估计该认知无线电系统或用户与通信对端在各频谱空洞上的信道状态，结合历史情况预测一段时间内的信道状态，并估计信道容量。(3)动态频谱管理技术根据频谱空洞信息和信道容量估计信息，为认知无线电用户分配频谱资源，兼顾公平与效益原则。同时，多个认知无线电用户竞争资源时，或多个认知无线电系统共存时，在竞争者之间进行协商，实现频谱共享。(4)自适应传输及重配置技术根据频谱空洞信息和信道容量估计信息，调整传输参数，如调制方式、发射功率。在接入不同无线接入网或改变无线接入技术的情况下，还要对基于软件无线电的底层软件及通信协议进行重配置。自适应传输及重配置与动态频谱管理密切相关，在频谱分配中，需根据认知无线电系统或用户可实现的传输能力和业务能力，决定某频谱空洞是否分配给该认知无线电系统或用户。(5)干扰抑制技术认知无线电实现异构系统之间的动态频谱共享，需要使用干扰抑制技术降低异构系统间的干扰，保障频谱的有效利用。干扰抑制技术与动态频谱管理和自适应传输密切相关。应用干扰抑制技术能降低自适应传输中系统或用户间的频率保护间隔或提高认知无线电发射功率，也能使原本不能共享的频率变得能够共享。(6)决策与执行认知无线电系统根据系统的预设策略和所获取的认知信息决定触发重配置以动态管理频谱。(7)学习认知无线电系统通过学习机制认知频谱资源环境及频谱需求的动态变化，存储以往不同环境和需求下的频谱配置并进行评价，以辅助和完善CRS认知信息获取与动态决策的过程，从而提升系统性能3。2.1.5 认知无线电技术的应用(1) 在UWB中的应用将CR技术引入到UWB系统的研究和设计中来，采用频谱感知技术能提高频谱利用的灵活性，改善频谱共享，有效抑制窄带干扰，与其他系统更好地共存。同时，还可潜在地提高频谱的利用率，提高数据传输速率和整个UWB系统的性能。(2) 在Mesh网中的应用无线Mesh网是一种多跳（Multi-hop）的网络拓扑结构，网络中的每一个节点都可以发送和接收信息，每一个节点都可以与一个或多个对等节点直接通信，它具有随时随地接入、成本低等优点。随着网络密度的增大和服务要求吞吐量的提高，无线Mesh网需要更高的处理能力。由于CR技术能够提高频谱的利用率，CR技术和无线Mesh网的结合可以用于人口稠密城市的无线宽带接入。当一个无线Mesh网的骨干网络是由认知接入点和固定中继点组成时，无线Mesh网的覆盖范围能够大大增加。(3)在WRAN中的应用2004年11月IEEE 802.22工作组成立，其别称为无线区域网络（Wireless Regional Area Network，W R A N），利用C R技术将分配给电视广播的V H F/UHF频带作为宽带访问线路。802.22系统定义了一种点到多点的无线空中接口。基于BS（基站）管理自己小区内的CPEs（消费为目的的设备，即认知用户）。每个CPE都要扫描所有TV频道，实时检测空闲的TV频道资源，将这些频道占用信息发送到BS端；随后BS端动态进行频谱资源管理，分配可用信道作为无线宽带接入应用。 但基于CR的WRAN还存在许多难题，比如WRAN空中接口需要很高的灵活性和自适应性；为了实现共存，需要相应的物理层和MAC层控制机制，允许基站以对授权用户的频谱感知来动态地改变网络的功率或频率，以避免干扰；为了避免和解决排列或重叠覆盖，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5。2.2认知无线电需要解决的问题为了完成认知无线电的两个基本功能环境认知功能和冲配置功能；从物理层到应用层都有相应地技术需要解决，其中任知无线电最关键的几类技术为：频谱感知：频谱感知属于物理层技术，其目的就是发现时域、频谱和空域上的频谱空洞，以供非授权用户伺机的接入授权频段。频谱感知需要准确性和及时性。准确性是指能够准确无误的检测出当前频段是否存在频谱空洞；及时性是指需要对认知无线电用户使用的频段不断进行感知，当授权用户要做出自己的调整，让出频段或降低发射功率，不能影响收取那用户端正常通信。目前主要的频谱感知技术可分为合作感知技术和非合作感知技术，其中非合作感知技术包括匹配滤波感知、能量感知、静态循环特征感知等方法。频谱感知是频谱管理、频谱共享、频谱移动性管理等技术的基础。频谱管理：认知无线电频谱感知检测到的频谱空洞可能离散的存在于许多频点，而且他们的频谱特征于使用时间不尽相同，因此需要对频谱进行管理，才能使不同频点不同特性的频谱空洞得以充分的利用。认知无线电的频谱管理主要包括频谱分析和频谱判决两项技术。所谓频谱分析，是指认知无线电分析估计所感知到的频谱空洞的特点，按照频点、干扰等级、信道误码率、路径损耗、链路时延、持续时间等参数对频谱加以分类。在频谱分析大基础上，需要进行频谱判决来决定当前哪个频谱空洞最适用于某个非授权用户的传输。频谱判决需要综合考虑用户的QoS和频谱空洞的特性，为特定非授权用户选取最优的频谱空洞或者对频谱空洞按照满足用户QoS的程度定义权值、划分等级。频谱分析和频谱判决对物理层频谱感知的结果进行处理，并为高层频谱提供服务。频谱共享：频谱共享技术是认知无线电的核心，可以说认知无线电概念的提出是为了更好的进行频谱共享。频谱共享包括非授权用户和授权用户的频谱共享和非授权用户之间的频谱共享，属于认知无线电数据链路层层技术。频谱移动性管理：当认知无线电正在使用的频谱空洞出现授权用户或认知无线电检测到了传播特性更好的频谱空间时，需要切换到其他频段继续通信。频谱奇瑞环会带来时延，导致系统性能下降。频谱移动性管理目的是解决频谱切换过程中系统性能下降的问题。频谱移动性管理需要各层的功能相互配合才能完成。除此之外，包括认知无线电网络路由设计、认知无线电网络频谱安全问题、认知无线电网络传输层协议、认知无线电网络跨层设计等技术已经成为了认知无线电领悟的人点，这技术使认知无线电技术变得更加车功能和素和完善。2.3认知无线电网络中频谱共享策略2.3.1频谱共享的概念频谱共享，就是通过无线场景感知建立频谱空穴监测，根据感知结果调节各个发射机功率输出，以适当的调制编码策略选择最适合的频段进行可靠的通信，自适应时变的无线射频环境，实现认知用户与第一类用户之间以及认知用户间的频谱共享。频谱共享允许部分次级许可用户在不影响主用户的前提下动态共享部分频谱，能够对不可再生的频谱资源实现再利用，有效地解决频谱稀缺的问题。频谱共享无线通信是未来无线通信技术发展的必然趋势和要求。它能够使得多个异构、具有不同体制或分属于不同运营商的通信系统可以动态和机会式地访问同一共享频段，实现频谱授权用户和或非授权用户可靠、和谐地共存，从而有效解决可用无线频谱资源日益匮乏的迫切问题，同时显著提高现有频谱资源的利用效率。相比较现有无限系统中的频谱共享，认知无线电网络的频谱共享面临新的问题，其中两个独特的挑战是与主用户的共存和可用频谱范围较宽带来的问题。从现实的角度来看，频谱共享主要包括频谱感知、频谱分配、频谱接入、发射机-接收机握手协议、频谱移动性这五个步骤。目前，研究者们普遍认为适用于认知无线电的调制策略是正交频分 OFDM，这是因为 OFDM 的灵活性和就算上的有效性。很明显，随着时间的变化，可用频谱孔来来去去，OFDM不断调整其载频，如图 2 所示。图中描述了在四载频的情形下，频谱共享（spectrum sharing）策略在时刻根据频谱孔的情况分配信道带宽。频谱共享的结果是使认知无线电在特定地域内、在可用频谱孔随时间改变的情况下仍然能够运行。 2.3.2频谱共享的分类(1) 集中式和分布式频谱共享 基于网络架构不同，频谱共享技术被分为集中式和分布式两种类别。 集中式网络架构中，设有一个中央控制单元，它负责动态收集整个网络的可用频谱信息、控制频谱资源的分配和接入。在这种架构中，频谱赶制仍然可以是分布式的，网络中的每个分布式节点都把自己探测感知的频谱信息汇集到中央控制单元，中央控制单元负责各个认知用户的频谱配置，兼顾不用用户的不同需求，尽可能地避免认知用户间的相互干扰。如图2所示，途中箭头表示中央控制单元与认知用户间的信令和控制信息的流动，基于收集到的可用频谱信息，中央控制信息的流动，基于收集到的可用频谱分配映射图。基于建立起频谱分配映射图，频谱资源被合理配置给相应的认知用户，同时频谱效率和用户接入公平性也得到很好的平衡。CRCR中央控制单元CRCR分布式解决方案主要应用在不能构建集中式结构的场合，在这种情况下，每个分布式节点都参与频谱分配，这可能会大大降低系统部署的复杂度，提高网络的可扩展性，但同时也可能引起认知用户简单相互干扰，进而造成频谱利用率下降，影响整个网络的性能。近年来的相关研究表明，分布式频谱共享方案可以逼近既重视频谱共享的性能，而网络部署的复杂度和节点间需要交换的信息量都可以极大地降低。(2) 基于频谱接入技术的不同，频谱共享技术被分为Underlay和Overlay两种类别。Overlay频谱共享本质上式一种基于认知无线电的窄带通信技术，它使用授权用户没有使用到一部分频谱接入网络，这样可以最小化对第一类用户系统的干扰。认知用户选择频谱资源时遵循以下两个原则：第一，该部分频谱资源没有被第一用户占用；第二，认知用户占用该部分频谱资源后对第一类用户的干扰尽可能小。认知用户一旦发现在自己的干扰范围内又第一类用户要占用自己使用的频谱资源，它会立即释放该部分频谱，因此，认知用户需要通过感知功能获得第一类用户的具体位置以及是否进行数据的传输。图2-2 Overlay频谱共享资源配置 如上图所示，深灰色代表的是第一类用户正在使用的资源块，白色代表的是频谱空洞，也就是没有被第一类用户占有的那部分频谱资源，而浅灰色代表的是正在被认知用户使用的频谱资源。Underlay频谱共享使用已开发的用于蜂窝网络的扩频技术，认知用户占用系统的整个带宽。这样，任何单个认知用户的干扰信号在第一类用户看来就是近似于高斯白噪声，但多认知用户的干扰叠加仍然能对第一类用户造成严重干扰。此时，认知用户和第一类用户占用的频谱资源以及相应的发射功率关系如图4所示，其中高的实线白色立方体表示第一类用户占用的频谱和相应的发射功率P1，低的虚线红色立方体表示认知用户占用的频谱和相应的发射功率P2，从图中可以看出，认知用户将自己信号扩展到了整个带宽，包括正在被第一类用使用的那部分频谱资源。 图2-3 Underlay频谱共享资源配置文献1和2对Overlay和Underlay方法进行了比较。当用户之间的干扰非常大或在假设有完全的系统知识情况下，Overlay比Underlay的性能更好。但在更现实的情况下，认知用户感知能力有限，只能或得部分系统知识，Overlay由于在频谱共享上的不足，导致很差的性能。因此文献2中提出了基于扩频的干扰避免Underlay技术（混合技术），认知用户仍然将信号扩展到整个系统带宽，但避开那些正在被第一类用户使用的频谱资源，同时带给授权用户的干扰可达最小。该混合技术方案比纯粹的Overlay技术允许更多的节点接入。认知用户和第一类用户占用的频谱资源以及相应的发射功率关系如图5所示，相应的立方体所表达的含义同Underlay方式6。 图2-4 混合方式频谱共享资源配置2.3.3 频谱共享的挑战性问题(1) 共同控制信道许多的频谱共享方案7，不管是集中式还是分布式，都利用了一条控制信道。控制信道给频谱共享带来的好处是很明显的。比如收发机之间的握手、客户端与中央单元的通信以及交换感知信息等。然而事实上，由于认知无线电网络的用户相对于分配给它们的频谱来讲只是访问者而不是拥有者，当法定第一用户出现后，这个频段必须被清空或者至少不能对法定用户造成干扰。控制信道也是属于这样的情况。因此，在认知无线电网络中固定地部署一条控制信道是不可能的。而且，在含有法定第一用户的网络中，由于信道与网络拓扑密切相关，共同信道将随时间而改变。因此，那些以共同控制信道（CCC）为假设前提的协议必须有新的发明设计来处理这些情况。(2) 动态无线电射频无线电的衰减随着工作频率的变化而改变，因此其射频也将发生变动。但许多的频谱共享解决方案都假设了固定的无线电射频与工作频率无关。然后，在认知无线电网络中，大范围的无线电频谱在候选行列里，当 CR 节点改变工作频段的时候，它的邻居节点也变了。这会对节点的干扰文件信息和路由决定产生影响。迄今为止，还没有关于能感知运行频率的频谱共享技术方面的研究工作。(3) 频谱单元几乎所有前面提及的频谱共享技术都以信道作为工作中的基本频谱单元。尽管有些算法提出了在 CR 网络选择合适的信道，但是在一些网络中，信道的定义还是很模糊的，比如“正交非干扰”2、“TDMA、FDMA、CDMA 或者它们的结合”、“像 IEEE802.11 描述的物理通道，或者是与特定频域或无线电技术相适合的逻辑通道1”等。在文献3、4中，信道仅仅被简单的从频率纬度上定义为频带。很明显，由于大范围的无限频谱在候选行列里，随着工作频率的改变，信道的特性也将发生变化。因此，将信道定义为频谱单元对新算法的发展是极其重要的。2.4国内外研究频谱共享的方法近年来，认知无线电已经成为了无线通信研究领域的热点问题，已经有许多国内外研究机构对其进行了广泛的研究，提出来几种有代表性的认知无线电网络结构，其中最权威、最成熟的当属IEEE的IEEE802.22标准。除此之外，包括频谱池在内的其他一些认知无线电网络结构的提出也有着自身的意义。(1) IEEE802.22 IEEE802.22是全世界第一个基于认知无线电技术的标准。美国电气电子工程师学会（IEEE）于2004年成立了802.22工作组，主要研究构造固定的点到多点的工作，在54MHz862MHzdUHF/VHF电视频段上的认知无线电频谱接入，在不对TV广播产生干扰的前提下，实现无线区域接入网（WRAN）的物理层和MAC层技术标准。IEEE802.22中使用特殊的TV频段及保护频段进行通信，这些频段的利用率较低。IEEE802.22标准的一个主要特色就是在功率足够的情况下可以覆盖100公里的广阔区域，这是其他的IEEE802标准不能与之相比的。IEEE802.22基站使用一种独特点分布式感知的方式，基站控制特殊的保护机制并指导多个用户用户完成分布式检测行为。(2) 频谱池 频谱池的概念是由Jpseph Mitola首先提出的。频谱池系统是一个基于正交频分复用技术OFDM的中心控制的动态频谱接入系统，该系统架构为集中式，包括基站和移动用户，研究的应用场景主要集中在无线局域网和移动通信网络的频谱资源动态共享。频谱池系统具有经过特殊设计的帧结构，并以此执行网络可用频谱资源的感知。当前，该研究热点包括：物理层的频谱接入检测和干扰抑制、介质访问控制层的调度和切换等。(3) XG项目 XG项目由美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助，其目标是使美国军用通信设备可以检测无线环境变化，根据所处环境d频谱管理政策选择频谱。XG通过各种不同的无线架构和频谱接入技术来提供给移动用户高带宽，并且针对对等结构的adhoc网络的通信采用的是完全自由的伺机频谱接入。项目包括两个方面：一是开发提供伺机频谱接入的技术；二是开发通过灵活的政策应用管理无线行为关键内容的长期管理框架。(4) CORVUS系统CORVUS是认知无线电方法使用虚拟免认证频谱（a Cognitive Radio approach for usage of Virtual Unliciesed Spectrum）的缩写。该系统是由美国加州大学Berkeley分校R.W Brodersen教授的研究组提出来的，其目标是通过协调的方式检测和使用频谱。在CORVUS系统中，提出了认知用户分组的思想，通过组内控制信道协调组内用户的动态频谱使用，这种分组的思想后来被很多研究者所采用。目前，该系统正开发CORVUS试验台来评估物理层和MAC层的性能。(5) Nautilus项目Nautilus项目由微软亚洲研究院和美国加州大学Santa Barbara分校（UCSB）的Haitao Zheng 教授的研究组合作研究，其目标是：实现分布式的合作频谱共享。这种分布式的思想与传统的集中式思想有很大的不同，Nautilus项目中提出了一个分布式、并能有效协调开放频谱接入的 Ad Hoc网络架构。该架构可以不依靠预先定义的公共信道进行业务控制就能处理频谱的异构性。该项目针对移动网络结构随节点移动不断变化的特点提出了基于本地议价的分布式频谱分配方法；而对于资源受限的网络（如传感器网络）这种分布式的频谱分配方法便不再适用，于是又提出采用基于规则的以设备为中心的频谱管理方式，用户将本地信息和预定义的规则结合起来接入频谱，在这个过程中认知用户都是独立的。当前，Nautilus项目的重点在于考虑如何利用所提供的分布式协调框架选择最好的信道传输数据。第三章 基于分组调度的频谱共享在无线通信中,分组调度是一项重要的无线资源管理技术,以保障不同用户业务的服务质量(QoS)为基础,在用户间合理调配资源。认知无线电网络要求频谱资源的高效利用,其核心技术频谱共享就是要给不同用户提供一个合理的频谱接入方案。因此,将分组调度引入认知无线电的频谱共享,可以在非授权用户之间有效的调配系统资源,提高网络整体性能。本章对基于分组调度的频谱共享进行研究,设计了一种系统实现方案,并通过Matlab仿真验证了方案的可行性。3.1分组调度3.1.1 分组调度的概述在无线通信网络中,为了适应不同用户的需求,保证不同速率、时延等要求的业务QoS,并对无线资源管理加以优化,需要结合无线链路特性,进行分组调度。分组调度己经成为近年来无线通信网络技术的研究热点之一。分组调度应完成的功能主要是对如何将无线资源分配给用户进行决策,这种决策以保证用户间公平性为前提,以保障不同用户不同业务的QoS为基础,以最大化系统吞吐量为目标。分组调度的功能包括:在用户之间共享可用的无线资源(包括频率、时隙等资源);对等待数据传输的用户进行调度;监视用户速率分配和系统负载等。对于不同的业务,因为其具有不同的QoS要求,所以分组调度算法的执行是有所不同的。例如FTP等数据业务对时延不敏感,但是对业务速率和传输差错的要求很高;而MPEG等流类业务对误码率要求不高,但是对传输的实时性要求却很严格,其基本上是在满足传输误码率要求的前提下以先到先得的规则获取服务的。当无线网络同时存在对时延要求不同的业务时,时延要求高的用户应首先获得服务,剩余资源再分配给对时延要求不敏感的业务。3.1.2 分组调度原理从狭义上讲,调度表示的是一个与时间次序相关的概念。调度算法希望解决的是在多个用户竞争使用有限资源时,确定一个良好的服务次序。从理论体系上讲,调度算法应当是排队论的一个分支。从广义上讲,调度不仅仅是时间的概念,而是可以包括对任务、工作、资源等进行有效的分配和规划来满足预定目标,因此可以认为调度与分配的概念在广义上是等价的7。调度算法有6个基本要素8:调度规则、调度目标、调度算法、调度者、调度结果、调度机制,其中调度算法是连接其余5个要素的纽带。出现调度问题的根源在于可调度的无线资源不能满足用户的业务需求。为了获得一个可以接受的调度结果,通常需要在调