开题报告-认知无线电系统频谱共享问题研究.doc

长安大学毕业设计（论文）开题报告表课题名称认知无线电系统频谱共享方法课题来源学生姓名认知无线电系统频谱共享方法研究 一、研究的目的及意义随着无线技术在移动通信、广播电视、公共安全等领域的广泛应用,现代社会对频谱资源的依赖程度越来越高,认知无线电作为一种提高频谱利用率的无线电技术,在未来的无线通信网络中具有非常广阔的应用前景。频谱共享技术,是认知无线电研究的关键课题之一,其目标是在保证主用户正常通信的前提下,通过认知用户与主用户之间以及认知用户之间共享频谱,实现认知用户高效可靠的通信，尽管频谱共享技术已从多个角度展开了广泛的研究,但目前仍没有合理完善的频谱共享解决方案,能够完全满足频谱共享的需求。因此，研究真正高效可靠的频谱共享技术是一个有价值的课题方向。近年来，随着无线通信业务需求的快速增长，尤其像无线个人域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、和无线城域网（WMAN）这些宽带无线通信应用的兴起，使可用频谱资源变得越来越紧张。因此，各种用以提高无线频谱效率的无线通信技术得到了广泛的研究。目前无线电管理机构所采用的频谱分配制度是固定频带分配的原则，将频谱分为两个部分，授权频段和非授权频段。其中授权频段占据了大部分的频谱，如电视广播频段，而非授权频段的可用频谱资源少之又少。随着工作于非授权频段的新兴无线通信技术的高速发展，非授权频段的频谱已趋于饱和。而大量的授权频段的频谱利用率却非常低，根据美国联邦通信委员会（FCC）的统计，美国已分配频段的频谱利用率仅5。因此，我们可以得到结论，频谱资源的紧张并不是因为可用的频带已经耗尽，而是传统的固定频谱分配制度使现有频段的利用率非常低，我们迫切的需要一种新的通信方式来开发在频谱利用率不高的频段，以满足日趋增长的无线频谱需求。 正好在理论上解决了频谱分配不均，一些频段资源紧张而另一些频段利用率又过低的问题。认知无线电的核心内容就是让无线通信设备具有及时发现“频谱空洞”的能力，并且能够有效的利用这些“频谱空洞”。频谱共享技术室认知无线电系统的核心，可以说是认知无线电概念的提出就是为了更好的进行频谱共享。频谱共享包括非授权用户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技术。随着认知无线电的出现，对无线频谱的使用规则需要进行新的调整，允许非授权用户在某一时间和位置内，在授权频段未被利用的频谱上进行更多的伺机传输，实现更加灵活和高效的频谱共享。所谓频谱共享，是指允许的部分非授权用户在不影响授权用户正常通信的情况下，动态的共享部分授权频段，实现对不可再生的频率资源的再利用，从而有效的缓解频率资源紧张的问题。频谱共享的主要功能室在物理层提供的比特流的基础上，在无线链路建立，拆除和分离时对无线频谱资源进行空盒子，已达到确保链路可靠性和提高频谱资源利用率的作用。解决无线频谱紧缺，提高频谱利用率，是频谱共享的最大目的和意义。 二、现状综述 随着电信技术的快速发展，频谱资源匮乏问题日益突出。传统的无线电网络普片固定式频谱分配方案，导致大量的许可频谱（Licensed Spectrum）利用率低下，频谱分配极不平衡，更加剧了频谱资源不足和用户需求之间的矛盾。动态频谱接入技术可以充分利用有限的频谱资源，极大提高资源利用率，有效缓解当前固定频谱分配政策导致的对频谱资源不合理利用的问题。人们把利用这一技术的网络称为下一代网络或者认知无线电网络（CR Network）。在CR技术中，通常工作频段的授权用户为第一类用户，而认知用户（CR Users）为第二类用户。认知用户可以感知、学习、自适应周围无线频谱环境的变化。通过与周围无线频谱环境的变化。通过与周围无线频谱环境的相互作用，认知用户可以通过频谱感知、频谱管理、频谱移动性和频谱共享四个功能动态的介入最适宜的空闲频谱，实现有效通信。在当前固定频谱分配制度中，主要存在两大问题，即频谱紧缺和频谱利用率低。一方面，移动用户对传输速率有着更高的要求以支持各种无线业务的增长，越来越多的频谱资源被占用而越来越少的频谱资源可以被利用。在这种情况下，将来就会出现没有可用的频谱分配给新的无线业务。另一方面，目前频谱资源大部分或一部分时间被闲置，而一些频谱则是使用上已到达负荷。具体地，根据美国联邦通信委员会的报告，已分配的频谱中大部分是不同地理位置上不同时间内偶尔地被使用，这个使用率一般在15到85之间。为了缓解频谱紧缺的问题和提高频谱利用率，认知无线电的概念被提出来，其被看作是灵活的频谱使用模型。在这种技术中，认知(非授权)用户事先不分配任何频谱资源，而是允许通过侦听频谱来接入未被主用户使用的空闲频谱或是与主用户共享同一频谱同时不会对其产生有害的干扰。在本文中，我们主要研究认知无线电系统中的频谱共享技术，即衬垫式频谱共享和覆盖式频谱共享。 在衬垫式频谱共享中，我们首先考虑瞬时干扰功率约束条件下的有效信道容量最大化问题。对于一定和无限接收信号带宽和单个和多个主用户接收机条件下的有效容量，我们分别给出了其闭式表达式。其次，我们分别考虑了协作认知无线电系统和分布式认知网络中的发射功率最小化问题。在协作认知无线电系统中，分配给发射端和中继端的发射功率可以通过几何规划来有效地计算得到。在分布式认知网络中，分配给每个认知用户的发射功率可以建模为功率控制博弈并且通过一个迭代算法来获得，在该博弈中纳什均衡被证实是存在的而且是唯一的，同时也是帕累托最优的。根据收敛的发射功率，传输速率和调制方案可以被相应的调整以支持不同需求的无线业务。在覆盖式频谱共享系统中，我们首先考虑当认知用户采用正交频分复用时，最小化主用户频带内的子载波旁瓣功率。具体地，我们提出两种旁瓣功率抑制方案，即伪随机序列和星座图调整。与之前的工作不同，伪随机序列是应用在靠近主用户频带的子载波上，其特点是减少了收发信机中储存伪随机序列所需的空间。进一步地，星座图调整方案不仅能够避免上述方案中所需的储存空间，而且可以防止相关方案中的误比特率性能下降。其次，我们考虑最大化基于正交频分复用的认知无线电系统中的信道容量，同时避免认知用户过多使用发射功率和对主用户潜在的多高干扰功率，这一点是与现有工作的不同之处。此外，我们给出了一个基于伪梯度的迭代算法来获得每个子载波的最优功率分配。我们还进一步地研究了子载波空置对系统性能的影响。 研究者普遍认为适用于认知无线电的调制策略是正交频分复用OFDM，这是因为OFDM的灵活性和计算上的有效性。随着时间变化，可用的频谱孔来来去去，OFDM不断调整其载频。频谱共享的结果是使认知无线电在特定的地域内，在可用频谱孔随时间改变的情况下依然能够进行。频谱共享过程包含频谱的移动性。认知无线电的目的是使终端设备能够动态地使用频谱，这才使“获取最好的可用信道”变得有意义。频谱移动性是指认知无线电用户改变它运行频率的过程，其主要问题是频谱切换。目前频谱共享技术解决方案可以从结构、频谱分配行为以及频谱接入技术三方面进行归纳分类。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：在这类解决方案中，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，由控制单元绘制出频谱分配映射图。 分配式频谱共享：分配式解决方案主要应用在不能构建既重视结构的场合。相应地，在这种情况下，每个分布式节点都参加与频谱分配，同时，频谱接入是节点的本政策决定的。 基于接入技术的频谱共享可分为Overlay频谱共享和Underlay频谱共享Overlay频谱共享：具体来讲就是一个认知节点利用未被使用的一段频谱接入网络。这种情况对第一用户造成的干扰最小。Underlay频谱共享：这种方案利用了蜂窝网络的频谱扩展技术。一旦获得频谱分配影射图，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传输当成噪声来处理。因此，这种方案需要复杂的频谱扩展技术。与Overlay频谱共享方案相比，这种方案可以利用更宽的带宽。三、计划思路1、 阶段进度1.2014.3.32014.3.31阅读关于认知无线电网络的文献，了解无线通信系统对频谱的使用方式和缺陷，对认知无线电频谱共享技术的原理和分类做出综述；2.2014.4.12014.4.20阅读认知无线电频谱共享方案的有关文献，对现有的认知无线电频谱共享策略进行分析；3.2014.4.212014.5.31对现有的典型认知无线电频谱共享方法进行仿真实现；4. 2014.6.12014.6.30撰写毕业设计论文，准备答辩。2、研究思路a)研究背景：叙述移动通信系统的基本概念和发展趋势；认知无线电技术的发展对于移动通信发展的重要意义（提高频谱利用率，缓解频谱资源紧张，解决频谱资源稀缺与频谱利用率低之间的矛盾）；（第一章，1015页/1周）b)研究内容：（第二章，2025页/2周）i.简述认知无线电技术的基本原理和系统结构分类（集中式、分布式；授权系统与认知系统是否共用基站；）；简述无线通信系统中的用户和速率、中断概率、频谱利用率等概念；ii.简述认知无线电网络中需要解决的问题（例如频谱感知和频谱共享，将重点放在频谱共享）；iii.详述认知无线电网络中的频谱共享策略（采用频谱共享的原因、频谱共享的分类overlay、underlay）iv.国内外研究现状：简述已有的频谱共享方法，例如频谱池方法、利用空闲空间子信道方法等（不拘泥于这里所举例的，可以找一些近两年的关于认知无线电网络频谱共享的综述性文章，叙述时要能讲清楚基本原理或者实现方法）c)选23种较为典型的频谱共享方法进行详细研究（应选比较通用的，实现时可参考的文献较多；难易适中，太简单工作量不够），详细叙述其原理和实现步骤，要有必要的公式和图、表（第三、四章，每章12个方法，每章叙述部分1520页/2周）2.在方法研究的基础上进行仿真a)根据第三、四章的方法进行matlab程序编写，生成信道，输出认知用户和速率、授权用户中断概率等图（参考文献中进行仿真的参数和图）；将采用频谱共享方案后的系统频谱利用率与原利用率相比较（2周）3、参考文献1.认知无线电与认知网络，张勇，滕颖蕾，宋梅编著，北京邮电大学出版社；2.认知无线电基础，（爱）多伊尔著，任品毅、张超译，西安交通大学出版社；3.认知无线电网络技术及应用，郭彩丽，冯春燕，曾志民著，电子工业出版社；4.认知