（计算机应用技术专业论文）认知无线网络动态频谱共享与切换研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 认知无线网络动态频谱共享与切换研究 摘要 认知无线电作为一种新兴的技术，研究的历史很短，不超过1 0 年时间，但其在解决 无线电应用需求与频谱资源稀缺的矛盾上潜力巨大，吸引越来越多的网络研究人员的关 注。 目前无线网络普遍采用固定频谱分配方式，几乎所有的无线终端都工作在一些频谱管 理机构( p n 联邦通信委员会、国际电信联盟) 分配好的频谱之下。研究表明，在该方式下， 大部分的已经分配好的频谱很多时候很多地区却没有被充分使用，其利用率在1 5 - 8 5 不 等。动态频谱共享( d y n a m i cs p e c t r u ms h a r i n g ，d s s ) 是认知无线网络研究中的一个重要 课题，旨在提高无线频谱资源的利用效率。在机会驱动的模式下，认知无线电允许无线终 端自动感知、识别并利用任何空闲的频谱资源。一旦在使用的频谱段上的授权用户出现， 无线终端将主动地让出相应的频谱，并切换到另一段可使用的频谱上去。 本文研究认知无线网络中的动态频谱共享与切换问题，用随机过程理论研究无线网络 中的频谱利用情况。针对认知无线网络中单授权用户与多认知用户使用同一段频谱的场 景，本文提出了一个频谱共享方案。在此基础之上，利用随机过程理论，构造了一个分析 模型，得到该方案的下的一些系统统计特性，如系统中的认知用户的平均个数、系统中认 知用户的被剥夺率、阻塞率以及频谱的利用效率。最后，针对该方案中的系统统计特性， 用数值试验的方式研究了各种参数对其的影响。 动态频谱共享在认知网络中非常重要。不同的频谱共享方案适用于不同的应用场景。 本文研究了一种较为简单的频谱共享方案，并得到了在该方案下的系统统计特性。但是我 们仅仅考虑了系统仅存在单个授权用户的情况，并且没有考虑认知用户之间的公平性问 题。这些问题在真实的场景中必须予以考虑。在将来的研究中，多授权用户多认知用户的 复杂的频谱共享方案值得考虑。 关键词：认知无线网络，动态频谱接入，马尔科夫链，动态频谱共享，频谱切换 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd y n a m i cs p e c t r u ms l i a r 矾g a n dh a n d o f f 矾c o g n i t n 厂er a d i on e t w o r k a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i o ，a san e w l ye m e r g i n gt e c h n o l o g y , o n l yh a sb e e nr e s e a r c h e dn o tm o r et h a n10 y e a r s b u tf o ri t sh u g ep o t e n t i a li nr e s o l v i n gt h es c a r c i t yo fs p e c t r u mr e s o u r c e ，i ta t t r a c t sm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n so fn e t w o r kr e s e a r c h e r t o d a y sw i r e l e s sn e t w o r k sa r ec h a r a c t e r i z e db yaf i x e ds p e c t r u ma s s i g n m e n tp o l i c y , a n da l l t h ew i r e l e s st e r m i n a l sw o r ki nt h es p e c t r u m sw h i c ha r ea s s i g n e db ys o m ea d m i n i s t r a t i v e o r g a n i z a t i o n s ，s u c h a s f c c ( 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 ) 、i t u ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) al a r g ep o r t i o no ft h ea s s i g n e ds p e c t r u mi su s e ds p o r a d i c a l l ya n d g e o g r a p h i c a lv a r i a t i o n si nt h eu t i l i z a t i o no fa s s i g n e ds p e c t r u mr a n g e sf r o m15 t o8 5 w i t ha 址曲v a r i a n c ei nt i m e i no r d e rt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fs p e c t r u mr e s o u r c e s ， d y n a m i cs p e c t r u ms h a r i n gi nc o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r kh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c o na l lo p p o r t u n i t yd r i v e nb a s i s ，aw i r e l e s st e r m i n a la u t o m a t i c a l l ys e n s e ，r e c o g n i z e ，a n dm a k e w i s eu s eo fa n ya v a i l a b l er a d i of r e q u e n c ys p e c t r u ma tag i v e nt i m e o n c et h ep r i m a r yu s e r a p p e a r s ，i tw i l lv a c a t et h eu s i n gs p e c t r u m ，a n dh a n d o f f t oa n o t h e ru n o c c u p i e ds p e c t r u m i nt h ep a p e r , w ed os o m er e s e a r c ho nt h ep r o b l e mo fd y n a m i cs p e c t r u ms h a r i n ga n dh a n d o f f 丽t ht h e o r yo fs t o c h a s t i cp r o c e s s e s as p e c t n m as h a r i n gs c h e m ei sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h e r ei s o n ep r i m a r yu s e r ( 1 i c e n s e du s e r ) a n dm u l t i p l es e c o n d a r yu s e r s ( u n l i c e n s e du s e r s ) w h oi n t e n dt o s h a r eaf r e q u e n c ys p e c t r u mw i t ht h el i c e n s e du s e r a na n a l y s i sm o d e li sc o n s t r u c t e dt od e r i v et h e s t a t i s t i c so ft h ep r o p o s e ds c h e m e ，s u c ha sm e a nn u m b e ro fr a d i ob a n d su s e db ys e c o n d a r yu s e r s ， d e p r i v a t i o nr a t eo ft h es e c o n du s e r s ，b l o c k i n gr a t eo ft h es e c o n du s e r s ，a n du t i l i z a t i o nr a t i oo f s p e c t r u m n u m e r i ce x p e r i m e n t sa r eg i v e nt oi n v e s t i g a t ei m p a c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h e d e r i v e ds t a t i s t i c so ft h ep r o p o s e ds c h e m e d y n a m i cs p e c t r u ms h a r i n gs c h e m e sa r es i g n i f i c a n ti nac o g n i t i v er a d i on e t w o r k d i f f e r e n t s p e c t r u ms h a r i n gs c h e m e sa r ea p p l i c a b l ei nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s w ei n t r o d u c eab a s i cs p e c t r u m 浙江工业大学硕士学位论文 s h a r i n gs c h e m ea n dh a v ed e r i v e ds o m es t a t i s t i c sf o r t h es c h e m e b u tw eo n l yc o n s i d e ra b o u to n e p r i m a r yu s e ri nt h es y s t e mf o rs i m p l i c i t y , a n dt h ef a i r n e s sb e t w e e ns e c o n d a r yu s e r si sa l s o o m i t t e d t h e s ec o n s i d e r a t i o n ss h o u l db ei n t r o d u c e di nar e a ls c e n e i nf u t u r e ，w ew i l lb e i n v e s t i g a t i n gc o m p l e xs p e c t r u ms h a r i n gs c h e m e sw i t hm u l t i p l ep r i m a r yu s e r sa n ds e c o n d a r y u s e r s k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ，m a r k o vc h a i n ，d y n a m i c s p e c t r u ms h a r i n g ，s p e c t r u mh a n d o f f 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外j 本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 辄2 副竹醐：沙f 阳幻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密“ ( 请在以上相应方框内打“”) 年f 乞月玢日 年fl 月2 f 日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念最早在j m i t o l ai i i 和g q m a g u i r e1 9 9 9 年写的一篇论文 1 中提出。2 0 0 0 年，j m i t o l ai i i 在他的博士论文【2 】中对认知无线电做出 了详细的定义，将认知无线电描述成软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 的一种 自然拓展，他认为认知无线电可以使s d r 从预置程序的盲目执行者转变成无线电领域的智 能代理，且s d r 是认知无线电成为现实的理想平台，其核心思想是c r 具有学习能力， 能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发 生。针对频谱利用率低的现状 3 4 ，美国联邦通讯委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i s s i o n ，f c c ) 提出采用认知无线电技术实现“开放频谱系统 ，对于合法的授 权用户具有高的优先权接入频谱，而具有认知无线电功能的非授权用户，即认知用户， 在对授权用户不造成干扰的情况下可以伺机接入可用频谱。目前，认知无线电的应用 大多是基于f c c 的观点，因此也称认知无线电为频谱捷变无线电、伺机频谱接入无 线电 6 1 。 1 1 课题研究背景及意义 目前，几乎所有无线网络都采用固定频谱分配策略，无线用户都工作在已经分配好 的频谱之下。世界各国一般都采用认证机制将频谱资源通过划分租用出去，而某段频谱 一旦授权给某个系统，那么该频段将不允许其他系统的用户使用。在美国，联邦通讯委 员会( f c c ) 负责授权和管理除联邦政府使用之外无线电资源使用，主要面向商业应用； 国家远程通信和信息管理局( n t t a ) n 负责授权和管理无线电资源的政府使用。中国也有 相应的机构，工业和信息化部无线电管理局负责中国境内无线电的授权和管理。这种固 定频谱分配策略虽然比较好地解决了不同系统用户之间的相互干扰问题，并且在过去很 长一段时间内确实很好地发挥了作用，但是随着无线电设备和用户的不断增加，固定频 谱分配策略己经不能满足日益增长的无线业务需求。 但是事实上，f c c 的频谱策略任务小组2 0 0 2 年的一份报告【5 】表明，对于给定一段 时间内，一般信道的占用时间比例低于1 5 ，而其峰值使用接近8 5 ，这说明频谱信道 的利用在时间上存在很大的变化。f c c 前任总工程师e dt h o m a s 的研究表明，“如果你 一1 浙江工业大学硕士学位论文 在任何时刻观察一整段1 0 0 g h z 的频谱并对其拍一个快照的话，那么你将会发现大约 5 - - - 1 0 的频谱正在使用，而余下的大约9 0 则处于空闲状态” 6 】，这说明当前无线频 谱在频谱空间上的利用率非常低。由此可见，作为当今世界最重要的自然资源的无线频 谱，在本身稀缺的同时，时间和空间上的未充分利用是导致资源紧张的关键性问题。 无线频谱的短缺已经成为部署无线信息高速公路的严重瓶颈，在过去的很长一段时 间内，人们致力于三种主要的策略来满足无线业务的需要 6 】。一、试图劝说目前的频谱 拥有者( 获得频谱许可证者) 让出他们部分未使用的频谱段，现今发达国家，几乎所有 的可重新分配频谱资源的传统无线用户已经从重要频段( 8 0 0 m h z - 5 g h z ) 中转移开来。 但是这种无线频谱清除策略对解决严重的频谱资源短缺问题收效甚微。二、把载波移到 新的更高的频段( 1 0 g h z 3 0 g h z ) 上，在这些频段上很少有无线业务占用。但是高频段 的无线传播受天气影响严重，那么在恶劣气候条件下使用高频段的无线系统的丢包率将 是难以接受的。三、在已经存在的无线业务上覆盖新的无线业务，采用扩频技术或者超 宽带( u w b ) 技术，它覆盖了以前分配给g p s 、雷达和卫星系统的频段，但是这些技术 都需要对系统的发射功率进行严格的控制，从而不会干扰别人。 上述三种在已经很拥挤的频谱段上部署新业务的解决方案并不能解决所有问题，寻 找新的有效的频谱短缺问题的解决方案势在必行，认知无线电技术就是在这样的背景下 提出的。认知无线电技术是一种对空闲频谱进行伺机利用的方法，针对目前无线电在时 间、空间、频率三个维度上利用率低下的现状，提高频谱资源的利用效率。 认知无线电的特性与一个国家或地区内的频谱分配状况息息相关。目前，大多数国 家的可利用频谱几乎都已通过频谱授权机构分配给了授权用户。研究表明，频谱的利用 地区间差异非常大：频谱在市区可能非常拥挤而在郊区可能很少使用。全国范围内，一 些授权业务只在一些地区使用( 例如固定卫星业务) ，即使在市区，也只有很少一部分可 用频谱能够连续使用。在重新收回空闲频谱时，可以通过认知技术来获得很多好处。 1 2 本文研究内容及国内外研究现状 认知无线电作为一种新兴的技术，研究历史很短，不超过1 0 年时间，但因其在解决 无线电应用需求与频谱资源稀缺的矛盾上的巨大潜力【7 】，吸引了越来越多的网络研究人 员的关注。 自从1 9 9 9 年“软件无线电之父 j m i t o l ai i i 博士提出c r 的概念并系统地阐述c r 的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了c r 的定义 8 1 1 0 1 ，其中比较有 浙江工业大学硕士学位论文 代表性的包括f c c 和著名学者s h a y k i n 教授的定义。f c c 给出定义【8 】，“认知无线电是 一种基于与其工作环境交互后能够改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输 参数自我修改的功能”。认知无线电是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频 谱环境，探测合法的授权用户的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整 个通信过程中不给授权用户带来有害干扰。s h a y k i n 则认为，“认知无线电是个智能 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，适应输入信号的统计性变化，以达到两个主要目标：任何时间任何地 点高度可靠的通信；对频谱资源的高效利用 9 】。可以看出，无论是哪一种定义，都要 求认知无线电具有认知能力和自我重配置能力。 认知无线电的核心思想就是通过频谱感知和系统的智能学习能力，实现频谱的动态 分配和共享，从而提高频谱资源的利用效率。目前构想中的认知无线电主要有以下5 个 主要功能【1 2 】，各种研究也基于它们展开： ( 1 ) 频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) 13 】 认知无线电设备通过检测频谱，利用空闲频谱段进行通信，因此认知无线电通信的 一个重要前提就是必须具备频谱感知能力。频谱感知技术可以归纳为对发射机探测、合 作探测和基于手扰的探测。认知用户探测环境中授权用户对频谱的使用情况，从而发现 未被使用的频谱资源，同时对授权用户的到达做出感知。频谱感知主要是对频谱空穴 ( s p e c t r u mh o l e s ) 1 4 的寻找。频谱空穴是指那些已经分配给授权用户使用，但是在某 一个特定的时间、地点授权用户却没有在上面工作的频段。频谱感知的核心问题是，在 一个认知无线网络环境中，设计高性能的频谱感应设备以及在不同的节点之间交互频谱 感知信息的算法。【1 5 】研究表明，一个简单的能量检测器不能保证对信号的精确检测， 于是迫切需要高级的频谱感应技术并需要节点之间周期性地交互频谱感知信息。【1 6 】提 出增加合作感知节点能够减少错误检测的概率。相对于一般的认知终端自我集中式的感 知，由于无线网络中普遍存在的“隐藏终端问题，有研究人员提出了分布式检测方法 【1 7 】，通过认知终端之间协作感知，从而提高系统发现频谱空穴和授权用户出现的能力。 ( 2 ) 频谱管理( s p e c t r u mm a n a g e m e n t ) 通过频谱感知后，认知用户对频谱环境有了比较充分的了解，选取条件最好的可利 用的信道满足自身的通信需求。为了描述认知网络的动态特征，必须对频谱空穴的时间 变化特征、授权用户的行为和频谱带宽信息予以准确描述。在考虑带宽与允许的传输功 率的条件下，【1 8 】提出了一种信道容量估计算法。基于o f d m 技术的认知无线电系统， 浙江工业大学硕士学位论文 t a n g 等人提出了相应信道容量估计算法 19 1 。 ( 3 ) 频谱移动( s p e c t r u mm o b i l i t y ) 认知用户在使用频谱的过程中，继续对无线电环境进行感知，当发现比当前使用的 更好条件的信道或者发现授权用户出现时，相应地进行频谱切换( s p e c t r u mh a n d o f f ) 或者 中断自己的服务，同时尽量保持这个过程的无缝性。 2 0 2 1 分别对认知网络中的频谱切 换问题进行了研究。h u a n g 等人提出一种基于蚁群算法的动态信道分配算法，因为该算 法操作简单，各认知用户之间没有或者很少有相互调整，不但可以使认知用户的切换率 小，同时能够减小切换延时 2 0 1 。f 2 2 提出了一种基于模糊控制的频谱切换方式，一旦认 知用户对授权用户的干扰超过一定的阈值，或者认知用户所需要的服务质量要求得不到 满足，认知用户就迅速地发起一个频谱切换，让出相对应的信道。 ( 4 ) 频谱共享( s p e c t r u ms h a r i n g ) 认知用户以一种合理的方式使用授权用户的频谱，并保证不会对授权用户使用频谱 资源产生任何干扰，认知用户之间能公平地利用频谱 2 3 1 。目前，基于接入技术的频谱 共享技术分为o v e r l a y 频谱共享和u n d e r l a y 频谱共享。o v e r l a y 频谱共享，就是认知用户 利用未被使用的一段频谱接入网络 2 4 】，这种情况对授权用户造成的干扰最小。u n d e r l a y 频谱共享，采用扩频技术，使得认知用户传输的信号对授权用户来说好比是噪声信号。 u n d e r l a y 方式允许认知用户跟授权用户在同一时间内共存。与o v e r l a y 方式相比， u n d e r l a y 方式可以利用更宽的带宽。 针对用于共享的频谱段是授权频谱段还是免除授权频谱段，国内外许多学者分别对 它们做出了不少研究。授权免除频谱( l i c e n s e e x e m p t e ds p e c t r u m ) ，又称开放共享频谱， 已经有不少学者做了相关理论研究 2 5 】- 2 9 】。yx i n g 等人提出了一个连续时间马尔科夫 模型，对使用不同带宽大小的两种系统用户的动态频谱接入进行了研究与预测【2 5 1 1 2 6 ， 同时考虑了系统中有无队列的情况。【2 7 】研究了异构非授权网络中的动态频谱接入问 题，提出了一种基于传输机会的频谱接入控制协议，以确保不同用户之间接入频谱的公 平性和多个异构非授权无线网络的安全共存。r e t k i n 等人从博弈论的策略平衡出发， 设计自我增强的频谱共享规则，来研究频谱的效率和公平问题【2 8 】。虽然这些方法对频 谱的共享都做了研究，但是它们都没有考虑授权用户接入的优先权问题。【3 0 一【3 5 】研究 了授权用户优先接入的频谱共享问题。在主用户享有优先权的认知网络环境中， 3 l 】提 出了一种连续时间马尔科夫模型，对单个认知用户的流量进行了研究，并考虑了认知用 户之间的相互干扰问题，同时也对认知用户使用频谱的公平性问题进行了考虑。一种频 浙江工业大学硕士学位论文 谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 策略在( 3 3 】 3 4 提出，并对两种信道接入方式下的频谱利用率、 阻塞概率、强制中断概率做了比较。【3 5 提出了一个三维马尔科夫链模型，在授权用户 流量给定的条件下，对认知用户的一些性能指标进行了分析，如阻塞概率和服务中断概 率。 【3 6 一 4 0 】对系统中认知用户之间频谱使用的公平性问题做了重点研究。 3 6 提出了一 种自适应分布式的方法，引入局部还价机制，从而优化频谱分配效率，并在认知用户间 保证公平性。由于频谱资源的稀缺性，有人提出把临时可用的频谱资源通过拍卖机制 3 7 】 借用出去，保证认知用户对频谱使用的公平性。【3 8 】提出了一种基于m c c g ( m u l t i c h a n n e lc o n t e n t i o ng r a p h ) 计算网络最大流量的最优算法，并用m m ( m a x m i n ) 和p f ( p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ) 模型保证公平性。 不少研究人员从数学分析的角度，通过各种模型，对认知用户在频谱共享网络中的 各项性能做了研究【4 1 】 5 0 】。针对认知网络中的频谱切换问题，【4 1 提出了一种信道预留 方案，并对最优预留信道数进行了研究。【4 3 提出了一种新的动态频谱接入方案，引入 缓冲机制，分别在认知系统有缓冲与无缓冲的情况下分析了认知用户的未完成概率和等 待时间。【4 4 采用p o m d p ( p a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ) 框架，提出了一种 在认知系统中信道状态转移概率的估计算法。文献 5 0 】提出了抢占优先权排队模型，研 究了认知系统中认知用户的流量行为，并对认知用户流量做出数学分析。 ( 5 ) 频谱切换( s p e c t r u mh a n d o f f ) 在认知无线网络中，当认知用户所使用的信道条件变差或者该信道上的授权用户出 现时，就会发生频谱移动，这种频谱移动就是频谱切换。考虑到由动态频谱分配获得的 频谱资源是暂时的，而且频谱资源信息存在不完全性、不确定性以及不稳定性，尤其是 由频谱检测所获得频谱资源，所检测频段授权系统随时都有再次占用该频谱资源的可能， 作为伺机接入的系统要随时准备重新切换到其他空闲频段。 关于频谱切换的研究，绝大多数集中在物理层而没有考虑m a c 层的影响。文献 4 5 1 中，作者研究了多余信道数量在链路维持概率上的影响。考虑到延迟的关系，作者在 【4 6 4 7 1 q b 研究了频谱交换的o f d m a 系统中认知用户的传输吞吐量问题。 4 8 4 9 分别 提出了种用户频谱切换的m a c 协议设计。如果认知用户停留在原来在使用的信道上， 那么一旦授权用户出现，它必须停止发送数据并且浪费一些时间用于等待授权用户完成 它的传输。另一方面来说，认知用户也可以切换到另外的信道上去。在这种情况下，一 个认知无线电设备可以通过建立一张用于频谱切换的候选信道表，一旦授权用户出现， 浙江工业大学硕士学位论文 可以通过选择一个目标信道完成频谱切换。一个认知用户应该维持在原信道还是改变信 道用于传输数据，关于这个问题的研究，【2 1 建立了一个分析模型，详细分析了在给定 切换次数的情况下一个认知用户能够完成传输一个数据包的链路维持概率。在不少研究 中，都提到了用于频谱切换的信道预留方案 4 1 1 1 4 6 ，但是因为在认知网络中，认知用户 可以利用的信道是动态变化的，所以在调度之前就预留信道似乎并不可行。基于蚁群中 的任务分配模型，【2 0 提出了一种信道分配算法( c a a c ) ，该算法能够根据授权用户的 空闲时间的信道特征选择最好的可利用的频谱，并以此来减少认知用户的切换延迟。 认知无线网络的研究都不是孤立的，基于认知无线电技术，任何一个认知无线网络 都涉及到频谱感知、频谱管理、频谱移动、频谱共享和频谱切换的研究。 目前，很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很 多针对认知无线电的重要研究项目。德国k a r l s r u h e 大学的f k j o n d r a l 教授等提出的频 谱池系统、美国加州大学b e r k e l e y 分校的r w b r o d e r s e n 教授的研究组开发的c o v u s 系统、美国g e o r g i a 理工学院宽带和无线网络实验室i a nf a k y i l d i z 教授等人提出o c r a 项目、美国军方d a r p a 的x g 项目、欧盟的e 2 r 项目。 综上所述，频谱共享与切换在认知无线网络中起着举足轻重的作用。频谱共享实际 上也包含了频谱切换的概念，因此，本文也对之进行研究，着重研究认知无线网络的频 谱共享问题。 1 3 本文主要创新之处 大量频谱资源占而不用的问题，已经引起了研究人员的极大关注。频谱共享是一种 解决这一问题的有效方式。本文主要研究的是认知无线网络的动态频谱共享问题。针对 单授权用户的认知网络环境，提出了一种新的动态频谱共享方案，并相应地进行数学建 模，利用随机过程理论，研究认知无线网络中的频谱利用情况。 我们所研究的问题基于以下应用背景：一段频谱即频段( r a d i ob a n d ) ，已经授权给 一个主用户( 称之为授权用户) ，且授权用户有使用该频段的绝对优先权。同时，该频段 又允许最多个其它用户( 称为认知用户) 使用。每个认知用户都具有频谱感知的能力， 即当授权用户出现时，无论有多少个认知用户在使用该频段，都必须立刻终止使用，将 频段让出来给授权用户使用。 在假定授权用户和认知用户的到达相互独立，分别满足不同参数的泊松过程，且它 们使用频段的时间满足指数分布的基础上，我们获得了以下指标： 浙江工业大学硕士学位论文 1 ) 频段可共享的认知用户的平均个数 2 ) 认知用户被剥夺的频率 3 ) 频谱的利用率 4 ) 新到认知用户被拒绝的频率 1 4 论文组织结构安排 论文共分为四章。第一章是论文的绪论部分，第二章到第三章是论文的主体部分， 第四章给出论文的总结及展望。 第一章绪论，简单地介绍了课题研究的背景及意义、本文研究内容及国内外发展现 状、本文的主要创新之处和论文组织结构等。 第二章介绍认知无线电的基本概念和关键技术。 第三章提出了一种单授权用户情况下的动态频谱共享方案，并对相应问题进行数学 建模，利用随机过程理论，对认知系统中一些统计指标进行了研究，如系统中的平均认 知用户个数、认知用户的剥夺率和阻塞率以及频谱的利用效率。最后给出了相应的仿真 结果和分析。 第四章是本文的总结和展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章认知无线电概述 2 1认知无线电的概念 认知无线电是一种智能的无线通信系统，它能够通过感知周围环境，相应地改变某 些工作参数( 例如功率、载波频率和调制方法等) 实时地适应环境，从而达到在任何时 刻、任何地点提供可靠的通信，并且高效地使用无线频谱资源。为了实现系统参数的可 重新配置，认知无线电要使用软件无线电、信号处理、学习和决策理论以实现认知无线 电系统的功能。 认知无线电技术的出现，极大地提高了频谱利用率，缓解日益增长的无线业务需求 与日渐匮乏的频谱资源之间的矛盾，被普遍认为是解决目前无线频谱利用率低问题的最 佳解决方案。该技术不仅会改变无线通信系统的工作模式，使无线网络通信从“计划经 济”走向“市场经济”，从过分依赖人工配置的工作模式走向智能控制模式；还会改变现 有无线网络的管理模式和频谱管理制度与规则。 认知无线电增加了人工智能的支持，能够识别周围的环境参数并加以学习。认知无 线电能够感知其所在区域的环境状态信息，通过改变其功率、频率、调制解调方式和其 他相关参数以获得更高的频谱利用率。从理论上说，认知无线电允许在时间、空问和频 率三个维度上进行频带复用，这将大大降低频谱稀缺和带宽限制对无线技术发展的束缚。 根据以上描述，可以得出认知网络的特点【1 2 】： 1 ) 对环境的感知能力 2 ) 对环境变化的学习能力 3 ) 对环境变化的自适应性 4 ) 通信质量的高可靠性 5 ) 对频谱资源的充分利用 6 ) 系统功能模块的可重构性 认知无线电的研究大致包括三个不同的层面：对无线传输环境的感知、对网络环境 和用户迁移行为的感知、对用户生命环境( 包括用户信息、生命状态信息、财产安全信 息) 的感知。 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 认知的主要工作包括【5 1 ： 1 ) 无线频谱分析，包括：估计无线环境干扰温度、探测空闲频谱。具体工作如下： a ) 在接收端完成：估计干扰温度和探测空闲频谱，然后将信息传给发射机，以 便发射机能够完成功率控制和动态频谱管理工作。 b ) 在发射端和接收端同时使用波束威形时间干扰控制。 无线信道分析和无线空闲信道的探测可采用时问频率分布统计或分段谱估计等 方法。 2 ) 信道识别，包括：信道状态信息估计，预测发射机可使用的信道容量。主要任务 是实时地估计和跟踪信道，通过学习和决策理论，判断信道质量变化的趋势，从 而改变系统的调制方式、传输速率等参数。信道状态估计需要接收机和发射机联 合工作，同时需要计算发射机的发射功率和信道容量。 3 ) 发射功率控制和动态频谱资源管理。动态频谱分配由发射端实现，完成认知周期 中的多址接入控制。频谱分配的主要任务是，研究一种自适应策略以提高r f 频 谱利用率。也就是说，在通过无线信道探测和分析获得的空闲频谱上，选择一种 适合时变无线信道环境的调制方案，从而保证在任何时刻都能够进行可靠的通 信。 2 2 认知无线电的历史 认知无线电是一种新出现的技术，在目前的无线网络系统中，从实际应用的角度来 看，它还远没有成熟。要真正实现一个实用的认知无线电系统，还有很漫长的路要走。 l 。m i t o l a 的奠基性工作 关于认知无线电详尽的描述最早出现在1 9 9 9 年j m i t o l a i 和g e r a l dq m a g u i r e 合 作的一篇论文中 1 】。2 0 0 0 年，j m i t o l a 在他的博士论文中将认知无线电描述成软件 无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 的一种自然拓展。m i t o l a 在其论文中讨论到无线p d a 的问题时，提到用认知无线电来标识无线p d a 和相关网络：( 1 ) 检测用户通信的需求；( 2 ) 为这些需求提供恰当的无线资源和业务。 m i t o l a 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( c o g n i t i v ec y c l e ) 模型。他提出的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。图2 1 所示为m i t o l a 给出的认知圈，该图描述了 认知无线电如何与环境进行信息交互，即外界刺激和变化进入认知圈，最终得到响应的 浙江工业大学硕士学位论文 这样一个认知无线电持续的观察环境( o b s e r v e ) 、自身定位( o r i e n t ) 、制定计划( p l a n ) 、学 习( l e a r n ) 、判决并执行( a c t ) 的流程。认知无线电通过分析接收到的能提供环境辨识信息 的信息流观察它所处的环境，这些信息流主要包括无线电广播、短距离无线广播等。在 观察阶段，认知无线电通过读取测位、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的优先级来对自己进行定位。计划阶段包括对偶然性事件进 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。而学习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。 图2 - 1m i t o l a 的认知圈 1 1 】 2 f c c 关于认知无线电的工作 2 0 0 2 年，f c c 的频谱策略任务组提交报告 5 】表明，绝大部分已经分配出去的频谱 都处于未使用状态。因此，人们逐渐认识到频谱短缺的最主要原因是长期以来的不合理 的频谱分配方式一固定频谱分配而不是本质上频谱的稀缺造成的。 认知无线电技术基于更加成熟的智能方式来对频谱进行分配，可以增大网络运营商 和个人用户享有的宽带资源，从而使得商业利益和经济效益最大化。 2 0 0 2 年1 2 月2 0 日，f c c 发布的一篇题为“a d d i t i o n a ls p e c t r u mf o ru n l i c e n s e dd e v i c e s b e l o w9 0 0 m h za n di nt h e3 g b a n d ”( f c c 0 2 3 2 8 ) 的文章，指出认知无线电技术队如何以 一种互不干扰的形式利用空闲的电视频段，从而来开展免授权业务提出了新的问题。在 该文中，f c c 特别指出，免授权设备应当在发送数据之前利用动态频率选择( d f s ) 和 一1 0 浙江工业大学硕士学位论文 授权信号特征检测算法，识别出未使用的频段，从而不对授权用户的使用造成干扰。 2 0 0 3 年，为了量化和管理认知网络中的干扰，f c c 提出了一个干扰温度模型 5 2 1 。 根据香农定理，在噪声与信号独立的高斯白噪声信道中，信道容量和系统信噪比有关。 提高信嗓比可以增加信道容量：反之，可以通过损失部分信道容量来降低对系统工作信 噪比的要求。基于这种考虑，利用现有授权用户系统的信噪比冗余量，可使授权系统损 失部分信道容量允许非授权用户接入工作。这样，既保证了原有授权系统的正常运行又 为新的非授权用户提供了工作的机会，从而提高了频谱利用率。 2 0 0 4 年，f c c 针对非授权的电视频段发布文章 5 3 】，给出一些建议，旨在提高非授 权用户从授权用户处临时借调频谱的可能性，表示只要不会对授权用户造成太多干扰， 可以临时借调频谱而对授权用户不产生有害干扰的设备通称为认知无线电 5 4 1 。 3 相关的i e e e 标准 i e e e 关于认知无线电的标准化工作也与f c c 同步进行着。最近i e e e8 0 2 标准关于 认知无线电标准包含了一个关于i e e e 8 0 2 1 l h 的修正案，其中纳入了i e e e s 0 2 1 l a 标准 下5 g h z 频段的d f s 和t p c 协议。 由于8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频段并支持多达2 4 个不重叠的信道，相对于8 0 2 1 l b g 而言，不易受到干扰。然后，5 g h z 频段的管理制度因国家不同而不同，这阻碍了8 0 2 1 l a 的进一步展开。国际电信联盟( i t u ) 针对在w l a n 下共享5 g h z 频谱提出了一组协调制 度。为此，2 0 0 4 年9 月，i e e e 通过8 0 2 1 l h 标准，定义了8 0 2 1 l aw l a n 设备可与i t u 提出的建议协同工作的机制。这些机制包括d f s 和t p c 。 i e e e 进行的关于认知无线电的工作还有8 0 2 1 8s g l ，它是2 0 0 3 年1 1 月提出的。i e e e 8 0 2 1 8 支持使用认知无线电技术从而使得免授权网络以互不干扰的方式同授权网络共享 频谱资源。i e e e8 0 2 1 8 支持f c c 关于在乡村业务中将认知无线电技术作为增大i s m 频 谱和其他免授权业务的覆盖范围。 i e e e 于2 0 0 4 年1 0 月正式成立i e e e8 0 2 2 2 工作组无线区域网络( w r a n ) i 作 组，计划2 0 0 7 年下半年完成标准化工作。其目的是研究基于认知无线电的物理层、媒体 访问控f l 割j ( m a c ) 层和空中接口，以无干扰的方式使用已分配给电视广播的频段。将分配 给电视广播的甚高频超高频( v h f u h f ) 频带( 北美为5 4m h z - - 8 6 2m h z ) 的频率用作为 宽带接入频段。 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 认知无线网络的关键技术 认知无线电的关键技术，主要有频谱感知、功率控制、动态频谱分配和共享、频谱 切换。 2 3 1 频谱感知 认知网络中，认知用户相比授权用户具有较低的频谱接入优先权。为了不对授权用 户造成有害的干扰，认知用户必须具备独立地检测出空闲频谱及授权用户出现的能力。 这就要求认知用户能够实时地连续侦听、感知频谱，以提高检测的可靠性。 早期的检测方法有导频信号和周期平稳过程特征检测方法等，但检测性能会随着多 径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低 1 5 】。协作感知允许多个认知用户之间 相互交换侦听信息，这可显著提高对频谱的感知和检测能力。g a n e s a n 等人提出在多用 户单载波和多用户多载波情况下，集中式认知网络通过引入放大中继合作分集协议，可 减少感知时间，从而提高网络的灵活性【5 5 】。最新的研究表明，采用物理层和m a c 层联 合感知的跨层设计方法，可以极大地提高频谱感知能力 1 3 】。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，正越来越 受到人们的关注。 2 3 2 功率控制 采用认知技术实现频谱共享的前提是必须保证对授权用户不造成干扰，而每个分布 式操作的认知用户的功率分配是造成干扰的主要原因。 首先考虑简单网络( 单个授权用户与认知用