（计算机应用技术专业论文）认知无线电的若干关键技术研究.pdfVIP

摘要中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 传统的静态的无线频谱管理方式使得部分频谱通常处于空闲状态，限制了频 谱的使用效率。近几年提出的认知无线电技术旨在提高空闲频谱的利用率，满足 日益增长的无线通信服务需求。认知无线电是一个能够感知外部环境的智能无线 通信系统，它能够从环境中学习，并根据环境的变化动态调整其内部状态，例如， 工作频率、发射功率、调制方式等，以有效利用空闲频谱，同时避免对授权用户 的干扰。 针对认知无线电技术的主要问题，本文的研究内容如下： 针对频谱分配问题，提出了基于传统的多机调度模型的空闲频谱分配模 型及其求解算法。首先分析了p c n g 和z h c n g 等人提出的图着色模型( c s g c 0 的优 缺点，然后在c s g c 模型的基础上结合传统的多机调度模型，提出了一种新的 空闲频谱分配模型及其求解算法。新的空闲频谱分配模型和算法考虑到了二级用 户接收端的位置；同时还考虑到了二级用户的通信时问长短。 针对单个认知设备的性能优化问题，提出基于多目标遗传算法的性能优 化算法c r e a 。首先分析了基于遗传算法的b i o c r 模型的优缺点，然后在此基 础上结合动态多目标遗传算法，提出了一种新的认知无线电性能优化算法 c r e a 。和b i o c r 相比，它不需要确定每个适应度函数的权值；不会漏掉部分 最优解；而且通过保存计算结果迸一步减少了算法的迭代运行次数。 针对二级用户链接( s u l ) 的维持问题，提出基于多目标遗传算法的s u l 维持算法。首先分析了w i u k o m m 提出的s u l 维持算法，在此基础上结合动态 多目标遗传算法，提出了一种新的s u l 维持算法，解决了根据子信道受干扰概 率p 和不同的服务类型，选择最优的基本子信道个数n 和冗余子信道个数x 的 问题。 关键词：频谱资源匮乏；空闲频谱；认知无线电；多机调度模型；c s g c ； 多目标遗传算法；空闲频谱分配算法：性能优化算法：c r e a ；b i o - c r ；$ u l 维 持算法 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ls t a t i cw i r e l e s ss p e c t r u mp o l i c ym a k e sp a r to fs p e c t r u mb a n d s o f t e nu n u s e d , w h i c hl i m i t st h es p e c t r u me f f i c i e n c y t h er e c e n t l yp r o p o s e dc o g n i t i v e r a d i ot e c h n o l o g yi st oi m p r o v et h eu s er a t eo fu n o c c u p i e ds p e c t r u ma n ds a t i s f yt h e i n c r e a s i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ed e m a n d c o g n i t i v er a d i oi s ac o g n i t i v e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , w h i c hc a ns e r et h ee x t e r i o re n v i r o n m e n t , l e a r nf r o m t h ee x t e r i o re n v i r o n m e n t ，a n da d j u s ti t si n n e rp a r a m e t e r s ( s u c ha sw o r k i n gf r e q u e n c y , t r a n s m i tp o w e r , m o d u l a t i o nm o d e ) t oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c ya n da v o i d i n t e r f e r i n g 、i t ht h el i c e n s e du s e r s a i m i n ga tt h em a i np r o b l e m so f c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y , t h er e s e a r c hc o n t e n t s o ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： f o rt h es p e c t r u ma l l o c a t i o np r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e dav a c a n ts p e c t r u m a l l o c a t i o nm o d e lb a s e do nt h et r a d i t i o n a lm u l t i - m a c h i n es c h e d u l i n gp r o b l e ma n di t s s o l v i n ga l g o r i t h m a tf i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eg r a p hc o l o r i n gm o d e l c a l l e dc s g c t h e nt h i s p a p e rc o m b i n e dt h e t r a d i t i o n a lm u l t i m a c h i n es c h e d u l i n gm o d e la n d p r o p o s e dan e w v a c a n ts p e c t r u ma l l o c a t i o nm o d e la n di t ss o l v i n ga l g o r i t h m t h i sn 哪 m o d e lc o n s i d e r e dt h ep o s i t i o no fs e c o n d a r yu s e r sr e c e i v e ra n dt h ec o m m u n i c a t i o n t i m el e n g t ho fs e c o n d a r yu s e r s f o rt h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fas i n g l ec o g n i t i v e r a d i o ，t h i s p a p e rd e v d o p e da n o wp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc a l l e dc r e ab a s e do na m u l t i o b j e c t i v ee v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m a tf a s t , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h eb i o - c rm o d e lb a s e do nt h eg e n e t i ca l g o r i t h m t h e n ，t h i s p a p e rc o m b i n e dt h em u l t i o b j e c t i v ee v o l u t i o n a r ya l g o r i t h ma n dp r o p o s e dan e w p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc a l l e dc r e a c r e a n o to n l yd o e s n tn e e dt o d e c i d et h ew e i g h to fe a c hf i t n e s sf u n c t i o na n dc a n tl e a v eo u ts o m eo p t i m a ls o l u t i o n s ， b u ta l s or e d u c e st h er u n n i n gt i m e so fa l g o r i t h m ，w h i c hi m p r o v e st h ea l g o r i t h m e f f i c i e n c y f o rt h es e c o n d a r yu s e r sl i n k ( s u l ) p r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e das u l 中国科学技术大学硕士学位论文 m a i n t a i n i n ga l g o r i t h m a tf i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es u lm a i n m i n i n ga l g o r i t h m p r o p o s e db yw i l l k o m m t h e nt h i sp a p e rc o m b i n e dt h em u l t i o b j e c t i v ee v o l u t i o n a r y a l g o r i t h ma n dp r o p o s e da n e ws u l m a i n t a i n i n ga l g o r i t h m i ts u c c e s s f u l l ys o l v e dt h e p r o b l e mt h a th o wt os e l e c tt h eo p t i m a lb a s i cs u b c h a n n e l sn a n dt h er e d u n d a n t s u b c h a u n e l sx a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t yp o fs u b c h a n n e l sa n dd i f f e r e n t s e r v i c et y p e s k e y w o r d s ：$ c e x c es p e c t r u mr e s o u r c e s ；v a c a n ts p e c t r u m ；c o g n i t i v er a d i o ； m u l t i - m a c h i n es c h e d u l i n gm o d e l ；c s g c ；m u l t i o b j e c t i v ee v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ； v a c a n ts p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h m ；p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；c r e a ； b i - c r ；s u l m a i n t a i n i n ga l g o r i t h m n l 目录 中茸科学技术大学硕士学位论文 表格目录 表3 - 1 ：传统自适应控制器的s n r 阈值表5 3 表3 2 ：不同服务对各种传输性能要求的权重值“ 表3 - 3 ：不同信道条件下不同服务类型的最满意解。5 6 表4 - 1 ：基于穷举法的s u l 维持算法的实验一结果6 6 表4 2 ：基于多目标遗传算法的s u l 维持算法的实验一结果6 6 表4 - 3 ；基于穷举法的s u l 维持算法的实验二结果。6 7 表4 4 基于多目标遗传算法的s i i l 维持算法的实验二结果。6 8 目录 中国科学技术大学硬士学位论文 插图目录 图1 - 1 ：j m i t o l a 博士提出的认知循环3 图1 - 2 ：s h a y k i a 提出的认知循环 图2 - 1 ：“空闻频谱分配算法”的流程图3 4 图2 2 ：“阶段空闲频谱分配算法”的流程图3 5 图2 - 3 ；t 无限大时m i n l 、m a x l 和r a n d o m 算法的性能比较3 8 图2 4t 无限大时m i n 2 、m a x 2 和r a n d o m 算法的性能比较。3 9 图2 _ 5 ；t 无限大时m i n 3 、x 3 和r a n d o m 算法的性能比较一4 0 图2 - 6 ：t 无限大时m i n 4 、m a x 4 和r a n d o m 算法的性能比较4 1 图2 - 7 ：t 无限大时m i n 5 、m a x 5 和r a n d o m 算法的性能比较4 2 图2 8 ：t 无限大时不同m i n 算法之间的性能比较4 3 图2 - 9 ：t 无限大时不同m a x 算法之间的性能比较4 4 图2 - 1 0 ：t 为常数时m i n 3 、m a x 3 和r a n d o m 算法的性能比较4 6 图2 1 1 ：一级用户个数对性能的影响。4 7 图2 1 2 ：信道个数对性能的影响4 8 图3 - 1 ：两个目标的例子5 0 图3 - 2 ；仿真实验框架5 3 图4 - 1 ：不同对应的吞吐量c o = - o 0 1 ) 6 0 图4 - 2 ：不同x 对应的吞吐量= 4 0 ) 。6 1 4 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，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也遵守此规定。 作者签名：王! 叠i 塾 垆7 年月争日 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 认知无线电相关概念 1 1 1 认知无线电的提出 无线电频谱是一种宝贵的、有限的资源，目前主要由国家统一分配、授权使 用：一个频段一般仅供一个无线通信系统独立使用，不同的无线通信系统使用不 同的频段，互不干扰。以美国为例，8 2 4 - 8 4 9 m h z ，1 8 5 1 9 1 g h z ，1 9 3 1 9 9 g h z 频段分配给了授权的蜂窝和p c s 服务；9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 0 - 2 5 0 g h z ， 5 1 5 5 3 5 g h z ，5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 频段被分配给了非授权的服务【1 】。 随着无线通信服务的不断增长和越发复杂，人们对频谱资源的需求越来越 大，频谱资源日趋匮乏。传统的预先分配、授权使用的频谱管理方式，使某些频 段承载的业务量很大，而另一些频段却在大部分时间内没有用户使用，白白浪费 了频谱资源。2 0 0 2 年f c c ( 美国通信委员会) 报告中指出，非授权频谱中只有 大约1 0 被频繁使用 2 1 。2 0 0 2 年另一个调查指出，美国的授权频谱中只有大约 2 被频繁使用，在其它国家则更低【3 】。可见，所谓的“频谱短缺”只是一种误解， 这完全是由于传统的静态频谱管理方式造成的。这种方式使得拥塞频段的用户无 法访问其他空闲频段，大大限制了频谱的使用效率。因此，需要寻求一种更有效 的频谱管理方式，以充分利用各地区、各时间段的空闲频段，缓解不断增长的频 谱资源的需求矛盾。 1 9 9 9 年，瑞典皇家技术学院的j m i t o l a 博士在软件无线电的基础上提出了认知 无线电( c o g n i t i v er a d i o ，简称c r ) 的概念【4 】。利用这种新的无线电技术，将能够 灵活有效地管理频谱资源的使用，极大地提高频谱利用率。 1 1 2 认知无线电的基本术语 1 ) 所有频谱分为两类： 一 丸授权频谱( l i c e n s e db a n d s ) ：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。 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 b 非免授权频谱( u n l i c e n s e db a n d s ) ：指那些免费给任何用户使用的频段。 2 ) 所有用户分为两类： a 一级用户( p r i m a r yu s e r ，简称p u ) ：拥有授权频谱的用户。在传统的静 态频谱管理方式下，大部分通信用户都是一级用户，他们独占某些频段。 b 二级用户( s e c o n d a r yu s e r ，简称s u ) ：不拥有任何频段，而利用空闲频 谱进行通信的用户。二级用户的设备必须是认知无线电。 3 ) 空闲频谱( v a c a n ts p e c t r u m ，又称为w h i t es p a c e ) ：是在频率上、或时间上、 或空间上暂时空闲的频段。空闲频谱包括非授权频段和一级用户暂时不使用 的授权频段。 4 ) 认知无线电的定义：一个能够感知外部环境的智能无线通信系统，能从环境 中学习，并根据环境的变化动态调整其内部状态( 例如，工作频率、发射功率、 调制方式等) 以有效利用空闲频谱，同时避免对其它系统的干扰【5 】。 5 ) 认知无线电网络的组成： a 一级网络( p r i m a r yn e t w o r k ) ：使用授权频段进行通信的网络，它们独占 某些频段。现有的通信网络基本上都可称为一级网络，比如蜂窝通信系 统和电视广播系统。一级网络由一级用户和一级用户基站组成。 b 二级网络( s e c o n d a r yn e t w o r k ) ：又称为认知无线电网络( c o g n i t i v er a d i o n e t w o r k ) 、动态频谱接入网络( d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sn e t w o r k ) 、非 授权网络( u n l i c e n s e dn e t w o r k ) ：不拥有任何频段，使用空闲频谱进行通 信的网络二级网络可以配置成基站网络，也可以配置成a dh o e 网络。 1 1 3 认知无线电的任务及认知循环 认知无线电需要和外部的射频环境实时交互，以发现空闲频谱，并决定合适 的传输参数。为此，认知无线电需要完成多个任务，这些任务及它们之间的关系 被称为“认知循环( c o g n i t i v ec y c l e ) ”。 j m i t o l a 博士提出的认知无线电的认知循环【4 】如图1 - 1 所示： 2 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 定向 图1 1 ：l m i t o l a 博士提出的认知循环 产生解决方案 评估解决方案 分配资源 其中，认知循环的步骤如下所示； 1 ) 观察( o b s e r v e ) ：分析外部射频环境，并推断通信内容。例如，如果发现一 个用户通过电话预定了出租车，则可推断出此用户将乘坐出租车出行。 2 ) 定向( o r i e n t ) ：确定通信的优先级。优先级分为三种： a 立即( i m m e d i a t e ) ：例如，如果认知无线电的电池突然被取出，认知无线 电将立即跳转到“行动”阶段，以保存必要的数据，使得以后认知无线 电能够正常地重新启动。 b 紧急( u r g e n t ) ：例如，如果正在无线局域网中通信的认知无线电突然丢 失信号，认知无线电将紧急跳转到“决策”阶段以恢复其通信，比如切 换到另外一个网络。 c 正常( n o r m a l ) ：大多数情况下，认知无线电并不需要对环境变化做出非 常快的响应，这时，认知无线电将进行正常的“计划” “决策” “行 动”的阶段转换。 3 ) 计划( p l a n ) ：产生并评估解决方案，包括把解决方案发送给网络中的其他认 知无线电以获取反馈意见。 4 ) 决策( d e c i d e ) ：分配频谱资源。 3 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 5 ) 行动( 觚) ：利用已分配的频谱资源进行通信。 6 ) 学习( l e a r n ) - 进行某些监督或无监督的机器学习，以改进以后的决策。 j m i t o l a 博士提出的认知循环过程相对比较复杂。s h a y k i n 将认知循环进行 了简化【5 】，如图1 - 2 所示： 图1 - 2 ：s h a y k i n 提出的认知循环 其中，认知循环的步骤如下所示： ”频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) ：监听某个范围内的射频环境，得到空闲频谱 信息。 。 2 ) 频谱分析( s p e c t r u m a n a l y s i s ) ：评估空闲频谱的各种频谱特征。 3 ) 频谱决策( s p e c t r u md e c i s i o n ) ：根据空闲频谱特征和用户需求选择合适的空 闲频段进行通信，并根据频谱环境的变化动态地调整传输参数。 1 2 认知无线电的应用 认知无线电有着很广泛的应用【6 】。 1 ) 军事 这种认知无线电不需要如商用系统中的基础设旋就可以和我方的其它设备 进行通信，能够根据环境变化自我调整参数以保证通信质量，能够和不同无线电 4 第1 章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 标准的设备进行通信，能够检测出敌方的传输等。荚国国防部最近几年已经投入 了大量人力物力进行这方面的研究，如：s p e a k e a s yr a d i os y s t e m ，j o i n tt a c t i c a l r a d i os y s t e m0 i r s ) ，n e x t g e n e r a t i o n 岱g ) 【7 8 】等项目。 2 0 0 3 年，从事高尖端军事设备开发的美国雷声公司从美国国防高级研究计 划) 面( d a r p a ) 手中接下了有关研发下一代无线0 ( g ) 通信计划【3 】的合同，该项目 将研制和开发认知无线电技术，以实现通信和传感器系统中的动态频谱应用。雷 声公司称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高1 0 2 0 倍。 2 ) 公共安全 当紧急事件发生时，分配给公共安全的频谱通常很快会被突发的各种通信阻 塞，并且各个应急部门之间由于所拥有的频谱不同很难互相进行通信。有了认知 无线电技术后，当紧急事件发生时就可以利用空闲频谱维持通信，不会因为负载 过大而阻塞，而且还可以实现不同应急部门之间的通信【6 】。美国这方面的研究 项目有：s a f e c o m 。 3 ) 商业 丸认知无线电技术在已有通信系统中的应用 认知无线电的概念虽新，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。典 型的例子有【9 】： 工作于4 5 m h z 左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免使用已 占用的信道； 非授权的个人通信业务( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，p c s ) 设备在传输数 据之前预先侦听频谱的占用情况，以避免对其他非授权设备造成干扰； i e e e8 0 2 1 l a 网络采用动态频率选择( d y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t i o n ，d f s ) 和 发送功率控制( t r a n s m i tp o w e rc o n t r o l ，t p c i 机制，避免与雷达信号相互干扰。 高速下行分组接入( i i i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ，h s d p a ) 、e d m a 2 0 0 0 网络都采用一种认知调制过程，根据用户的服务需求和频谱环境，设定最有效的 传输参数。 b i e e e s 0 2 2 2t 作组 2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作组，又称为无线区域网络 ( w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ，w r a n ) ，目的就是使用认知无线电技术将分 5 第1 章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 配给电视广播的v h f u h f 频带( 北美为5 4 8 6 2 m i - i z ) 用作宽带访问线路。 i e e e 8 0 2 2 2 将要制定的是无线通信的物理层与m a c 层规范，所设想的数据通信 速率为数m b i t 秒数十m b i t 秒，计划2 0 0 7 年下半年完成标准化工作( 网址： h t t p ：w w w i e e e 8 0 2 o r g 2 2 ) 。 cm e e 8 0 2 1 6 ht 作组 由于w i m a x ( m e e 8 0 2 1 6 a e ) 缺乏可用频段，i e e e 专门成立了8 0 2 1 6 ht 作 组，致力于改进如策略、m a c 增强等机制，使w i m a x 适用于u h f 电视频段， 利用认知无线电技术确保基于w i m a x 的非授权系统与授权系统之间的共存。 1 3 认知无线电的研究现状 1 3 1 认知无线电的发展历程 1 ) 软件无线电和软件定义无线电 软件无线电( s o f t w 觚er a d i o ，s r ) 的基本思想是以硬件作为其通用的基本平 台，把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、 新产品的开发逐步转移到软件上来，其产值也在软件上体现出来。软件无线电的 最终目的是使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对稳定的情况 下，通过软件来实现各种功能，使得系统的改进和升级都非常方便，且代价小， 同时不同系统问很容易实现互连与兼容。 理想的软件无线电电台是一个有能力支持多重空中接口和协议的多频段无 线电台，它的所有方面都由软件在通用的处理器上定义。软件定义无线电 ( s o f t w a r ed e f i n i t i o nr a d i o ，s d r ) 是理想软件无线电的一个折衷方案：它是在现 有的技术条件下用专用集成电路( a s l c ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 、数字信号 处理器p s p ) 和通用处理器( g p ) 适当混合来实现的。 2 ) j m i t o l a 博士于1 9 9 9 年提出的认知无线电的最初定义 1 9 9 9 年，j m i t o l a 在一篇文章中提出了“认知无线电”的概念【1 0 】，描述了认 知无线电如何通过无线电知识描述语言( r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n l a n g u a g e ，i z x r l ) 来增强个人无线服务对频谱环境的适应性。 2 0 0 0 年5 月，j m i t o l a 翟e 瑞典皇家科学院的博士论文中扩展了r k r l 的概念 6 第1 章绪论 中屋科学技术大学硕士学位论文 【1 1 】他强调软件定义无线电是实现认知无线电的理想平台。认知无线电可使软 件定义无线电从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能体。 认知无线电通过r k r l 、基于模式的推理方式与无线网络环境进行智能交互， 因此其认知功能的实现主要在应用层或更高层，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。由于很难在短时间内实现，因此， 科学工作者开始寻求易于实现的认知无线电技术。 3 ) f c c 提出的基于“干扰温度”机制的认知无线电概念 a 干扰温度”机制 f c c 在2 0 0 2 年专门成立了一个工作机构s p t f ( s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e ) 来 研究认知无线电技术，并提出一种新的认知无线电概念。s p r f 认为，个工作 系统在设计时，会留有一些冗余度，用以确保系统在遭受一定程度干扰的情况下 仍能正常运行。因此，可以利用这种信噪比的冗余量，让二级用户在不影响一级 用户正常工作的情况下，和一级用户同时使用频段进行工作。 基于上述分析，f c c 给出了一种认知无线电的定义：认知无线电可以在各频 段感知二级用户在一级用户接收机处产生的干扰值。若在某频段，一级用户接收 机处产生的干扰值小于某一预先规定的干扰门限，n - - 级用户就可以和一级用户 同时使用这段频谱，否则，继续寻找另外可用的频段【5 】。 可见，f c c 提出的这种认知无线电技术，为了保证一级用户和二级用户同时 正常工作，必须预先准确测得引入二级用户后将对一级用户带来的干扰值，并准 确估计一级用户可按受的干扰值，据此设定一级用户的干扰门限。为此，f c c 提 出了一种称为“干扰温度”的机制来控制和管理二级用户对一级用户产生的干 扰。“干扰温度”用来表征二级用户在共享频段内对一级用户接收机产生的干扰 功率。 b 。干扰温度”机制应用的问题 f c c 公布的基于干扰温度概念的认知无线电提议，在学术界引起了广泛的关 注和讨论。很多科学工作者对此工作机制提出了质疑，概括如下： 二级用户工作机会小 “干扰温度”机制希望利用一级用户系统的信噪比冗余量，让二级用户接入 工作。但是，在现有的一级用户系统中，这种信噪比冗余量并非大量存在。实验 7 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 发现，系统的射频环境噪声一般近似为常值【1 2 】。而且现有的通信系统普遍具有 动态功率控制功能，可以根据射频噪声的大小动态调节发射功率，使发射功率维 持在一个能够保持通信的最低功率水平上。这样，一级用户信号和背景噪声之间 就不存在可以被二级用户依据“干扰温度”机制而使用的信噪比冗余量。 干扰温度值检测困难 f c c 给出了3 种测量干扰温度值的方法：自我检测、间接检测和直接检测， 但具体实现均存在一定困难 首先，对于自我检测，即认知无线电设备自带干扰温度测量装置，感知自身 传输功率的水平和频谱环境，并计算其传输可能对同频段一级用户产生的干扰。 如果发现自身信号造成的干扰水平低于系统的干扰温度门限，则可以接入该频段 工作，否则禁止。但是自我检测方式只是从自身的角度来考虑情况，没有顾及到 可能受到影响的一级用户接收机的情况，导致了典型的“隐终端问题( h i d d e n t e r m i n a lp r o b l e m ) ”，使得二级用户难以检测出同频段内所有正在通信的一级用 户。以一个电视台的远程新闻转播车为例，该转播车把信号发送到电视台，然后 电视台向家庭观众播放报道。现在，假设转播车被派往离电视台仅一英里左右的 地方去报道一个事件，它将信息以相对较低的功率从一个瞄准电视台的定向天线 发射出去。这时，一个位于该定向天线影响范围之外的认知无线电就检测不到这 次传输，如果该认知无线电确定这个信道没有被使用，并发送自己的信号给位于 电视台主发射器远端的一个接收器，那么它就会严重干扰新闻转播车的信号，使 得此条新闻报道被中断。 其次，对于间接检测，即在一个固定的地区安置检测机不断检测频段的干扰 水平，并把它转化为干扰温度值，通过特定的信道报告给准备工作的二级用户， 二级用户以此来判断是否占用该频段。为了使得间接检测的测量值有效，必须保 证检测机测量到的干扰水平和被保护的一级用户受到的实际干扰水平有很强的 相关性。但是，一级用户周围的干扰有着很强的地域独立性：不同位置测得的干 扰值是不同的。因此，要准确测出整个频带内的干扰水平很难。另外，为了保证 测量的准确性，需要将检测机放置在一级用户的附近。然而很多一级用户的位置 通常难以确定。例如移动电台和广播接收机。由于不能有效确定这些一级用户的 位置，所以检测机也无法准确放置。可见，间接检测机制受到检测相关性和检测 8 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 机安装位置的限制，在很多场合下无法工作。 最后，对于直接检测，即在下行链路中由受影响的一级用户检测自身附近的 干扰温度值，然后报告给各二级用户。这一方法克服了间接检测的缺陷，但是需 要改造所有的一级用户系统，让它们具备测量干扰温度值的能力，这也很困难。 总之，上述3 种检测方法很难确切得到干扰温度值。也就是说，基于干扰温 度机制的共享频谱方式难以实现。 影响一级用户的服务质量 f c c 的分析掩饰了共享频谱方式对一级用户带来的问题。二级用户的引入将 会导致系统噪声水平增加，减小系统的覆盖范围、容量和服务质量。大量的实验 数据表明，一个g s m 网络增加l d b 的干扰会损失2 5 的网络容量，相应地要维持 现状就要增加3 3 的小区数；一个e d g e 网络增加l d b 的干扰会损失1 5 的覆盖范 围，相应地要维持现状就必须增加1 7 的小区数；一个c d m a 系统增加i d b 的干 扰会损失1 0 1 5 的覆盖范围，相应地要维持现状就必须增加1 2 1 7 的小区 数 1 2 1 。由于级用户丢失的容量远远超过了二级用户所能得到的容量，因此共 享的结果是得不偿失的。 总结：综上所述，f ( 、c 提出的干扰温度共享机制的认知无线电概念，目前存 在着很大的争议，很难在短期内投入市场运行。 4 ) f c a p a r 等人提出的认知无线电 鉴于f c c 提出的干扰温度共享机制的认知无线电概念存在的种种问题，现 在，越来越多的研究者倾向于采用e c a p a r 等人提出的认知无线电技术的概念【1 3 ， 1 4 】：认知无线电在各频段内连续不断地检测是否有一级用户在发射信号，若检 测到一级用户信号，则认为一级用户存在，二级用户暂时不使用该频段；反之， 二级用户可以利用该频段进行通信。二级用户在工作过程中，一旦发现一级用户 开始使用这个频段，立即停止对该频段的使用，切换到其他适合的频段继续工作。 这种认知无线电概念定义了一种智能化的动态频谱资源管理方式，即一级用 户拥有最高的频谱使用优先级，若干具有相同低优先级的二级用户可以与它共享 频谱资源，提高频谱资源的利用率。2 0 0 4 年7 月，u c b e r l d c y 的r w b r o d e r s e n 和 s m m i s h m 等人利用软件无线电平台初步验证了这种认知无线电的可行性( 1 5 】。 由于这种定义方法给出的认知无线电较易理解和实现，因此目前国际上开展 9 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 的认知无线电研究大多基于此定义 5 ) 频谱政策和标准化工作进展 认知无线电技术对现存的无线频谱周定分配制度提出了挑战，对此一些频谱 管制部门，如美国通信委员会( f c c ) 和英国通信办公室( o f f i c e o f c o m m u n i c a t i o n s ， o f c o m ) 等给予了积极的支持。2 0 0 2 年1 2 月，f c c 指出非授权设备应具备能够识别 未占用频段的能力；2 0 0 3 年1 1 月，f ( c 提出干扰温度的概念，以扩展移动和卫星 频段的非授权操作；同年1 2 月f c c 成立了认知无线电工作组，明确表示支持认知 无线电并修正了美国的电波法；2 0 0 绰5 b ，f c c 又发布建议制订规则的通告 r m ) ，允许二级用户在不影响一级用户业务的前提下，通过认知无线电技术 使用电视广播频段中的空闲频谱资源。与此同时，o f c o m 也将认知无线电引入其 近期的频谱框架概述报告书中 9 】。 在频谱政策管制部门的带动下，一些标准化组织接纳了认知无线电并先后制 定了一系列标准以推动该技术的发展。i e e e 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作组，目标是将分配给电视广播的聊h f 频带的空闲频道有效利用作为宽 带访问线路。由于w i m a x 缺乏可用频段，i e e e 专门成立了8 0 2 1 6 h t 作组，致力 于改进如策略、m a c 增强等机制，使w i m a x , 适用于u h f 电视频段。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e e e l 9 0 0 标准组，进行与下代无线通 信技术和高级频谱管理技术相关的研究。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 1 6 】。 此外，国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，1 t u ) 也在努 力寻找类似于认知无线电的频谱共享技术【9 】。 1 3 2 认知无线电的关键技术研究 认知无线电要获得真正的应用，还有许多关键技术需要研究和解决。本节分 别讨论了认知无线电的网络结构、频谱感知、频谱分析、空闲频谱分配、性能优 化和频谱切换几个关键技术的研究进展和难点。 ”认知无线电的网络结构 现有的认知无线电网络结构有： 屯频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 1 0 第1 章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 频谱池系统是一种基于o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v m i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的频谱共享策略【1 7 - 2 1 1 ，它将所有可供使用的频谱放入一个频谱池，频谱池 进一步被分为n 个大小相同的“子信道”。二级用户使用o f d m 技术进行传输， 即在一级用户出现的子信道上不发射任何能量，从而避免对一级用户产生干扰 此系统由一个二级用户基站和多个二级用户移动终端组成。为了检测一级用 户，基站周期性地广播检测帧。在这个检测帧期间，移动终端进行频谱感知，并 将自己感知到信息汇总到基站。当一级用户出现时，移动终端在一级用户出现的 子信道上以最大能量发射一个信号，通过这种方式，基站在一级用户出现的所有 子信道上收到一个放大的信号，从而准确地判断出一级用户的出现。另外，因为 使用传统的m a c 层传输感知信息很耗时，所以系统使用一个加速协议( b o o s t i n g p r o t o c 0 1 ) ：忽略m a c 层，仅使用p h y 层收集和广播感知信息。 优点：使用加速协议提高了感知速度。 缺点：不同二级用户感知到的信息可能会互不相同，甚至相互矛盾，从而导 致二级用户之间的行为互相冲突，降低系统性能；若存在恶意用户，则不仅降低 系统性能，而且会干扰一级用户。另外，二级用户问的同步比较困难。 b c o r v u s c o r v u s 系统也工作在频谱池上【1 5 ，2 2 】，频谱池进一步被分为n 个大小相 同的“子信道”。每个一级用户的频段可能占有多个子信道。一对二级用户需要 通信时，选择一组空闲的子信道形成一个二级用户链接( s u l ) ，这个二级用户 链接的子信道可能分布到多个一级用户的频段中。 二级用户形成二级用户组( s u g ) 来协作它们的通信，不允许不同二级用户 组的二级用户之间直接的点对点通信。二级用户使用专门的逻辑信道以交换控制 和感知信息，有两个不同的逻辑控制信道，一个全局控制信道和一个组控制信道。 全局控制信道是全局唯一的，被所有二级用户所知，全局控制信道的主要目的是 通告存在的组并授予相关的传输参数，以使新来的二级用户加入到一个二级用户 组；每个组的组控制信道的主要目的是进行组控制和感知信息的交换。 文献【2 3 】提出了一个c o r v u s 测试平台，以评估c o r v u s 系统中物理层、 链路层的性能。另外，文献【2 4 】提出了一个可靠的二级用户链接维持协议，以维 持c o r v u s 系统中二级用户通信的质量。 1 1 第1 章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 优点是：二级用户链接的子信道分布在多个一级用户的频谱中，减小了对单 个一级用户的干扰；当某个一级用户重新出现时，只会影响二级用户链接的少数 子信道，只需让出这部分子信道，然后寻找一些新的空闲子信道就能继续维持此 二级用户链接。 缺点是：同频谱池系统的缺点。 c u w a n 美国德州仪器公司的b k r c n i k 等人提出的u w a n ( u n l i c e n s e dw i d ea r e a n e t w o r k s ) 系统类似于蜂窝通信系统，