（电路与系统专业论文）认知无线电网络频谱共享问题的研究.pdf

再bbf，净 r#，j 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：垫! q ：呈：姿 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 盈0 ；习 t i k 0 i ，。屯o ，o。r辱，心麓誊；挚“，警一i r 寸 认知无线电允许非授权用户在授权频段未被利用的频谱上进行伺机传输，使之与 授权用户共享此频段，有效的解决了当前频谱资源的紧张的问题。频谱共享是认知无 线电的核心，其可以分为频谱分配和频谱接入两部分。所谓频谱分配就是指按一定的 准则为用户分配带宽；而频谱接入主要关心的则是当存在多个用户接入频谱时，如何 能够更好的避免他们之间的冲突。 分组调度是无线通信系统中一项重要的无线资源管理技术，它能够适应不同业务 不同q o s 的要求，为存在于同一系统的多个用户提供有序的无线频谱接入。通过设 计有效的调度算法，不但可以保证系统一定的公平性，而且能够提高系统的吞吐量， 提升系统的频谱效率，达到了与认知无线电频谱共享相同的目的 本文研究主要考虑集中式认知无线电网络结构下，非授权用户之间的频谱共享， 各非授权用户主要进行非实时业务的数据传输。非实时业务的q o s 特性主要包括其 对时延的要求很低，对速率和可靠性的要求却很高。在本文的研究中，对非实时业务 的这种q o s 特点进行了充分的考虑，设计了一种有效的频谱共享算法。算法采用一 种改进的调度方案控制各非授权用户间的频谱接入，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，本文算法可以有效的提高用户平均 收益，提升系统的频谱利用率。 关键词：频谱共享，分组调度，非实时业务，自适应传输速率，收益函数 n i_ ￥ r，二，“ ?吖v一 善_、，r耳-。 p罐， r e s e a r c ho f s p e c t r u ms h a r i n gi nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s a b s t r a c t i n c o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，s e c o n d a r y u s e r s 锄ca l l o w e dt ot r a n s m i ti n 觚 o p p o r t u n i s t i cw a y i na u t h o r i z e ds p e c t r u mw h e nt h es p e c t r u mi si d l e ，w h i c hm a k e si tr e a l i t y t h a tp r i m a r yl u l s e r ss h a r es p e c t r u mw i t hs e c o n d a r yu s e r s s ot h ec u r r e n tp r o b l e mo ft h e s h o r t a g eo fs p e c t r u mc o u l db es o l v e d s p e c t r u ms h a r i n gi st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g y o fc o g n i t i v er a d i o i tc o u l db ed i v i d e di n t ot w os t e p s ，s p e c t r u ma l l o c a t i o na n ds p e c t r u m a c c e s s s p e c t r u ma l l o c a t i o nt a k e sc h a r g eo fd e c i d i n gt h eb a n d w i d t ho fu s c i s ，w h i l e s p e e t n l mi i c c c s sc a r e sa b o u tc o l l i s i o na v o i d a n c eo f m u l t i u s e r sa c c e s s a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，p a c k e ts c h e d u l i n gc o u l dc o n t e n tt od i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n to f s e r v i c e sa n dp r o v i d eo r d e r e dm u l t i u s e r si i c c t 鼯sf o rt h es y s t e m s b yd e s i g n i n go fg o o d s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，p a c k e ts c h e d u l i n gc o u l dn o to n l yg u a r a n t e es y s t e mf a i r n e s s ，b u t a l s oe n h a n c es y s t e mt h r o u g h p u t s oi tc o u l da c h i e v et h eo b j e c t i v eo fu t i l i z i n gs p e c t r u m e f f i c i e n t l y , w h i c hi st h es a m ei l l ss p e c t r u ms h a r i n gi nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s i nt h i s p a p e r , t h es i t u a t i o no fs p e e m m as h a r i n ga m o n gs e c o n d a r y u s e r sw i t h n o n - r e a l t i m es e r v i c e si nac e n t r a l i z e dc o g n i t i v er a d i on e t w o r k si sc o n s i d e r e d q o so f n o n - r e a l t i m es e r v i c e sm a i n l yi n c l u d el o wr e q u i r e m e n t so f t i m ed e l a ya n dh ig h r e q u i r e m e n t so fr a t ea n dr e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt os u c hq o sc h a r a c t e r i s t i c so fn o n - r e a l t i m e s e r v i c e s ，a ne f f i c i e n ts p e c m a ns h a r i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e di n0 1 1 1 s t u d y t h ea l g o r i t h m a r r a n g e ss e c o n d a r yu s e r st oa c c e s ss p e c t r u mw i t ha l li m p r o v e ds c h e d u l i n gs c h e m e , a n d a l l o c a t e ss p e c t r u m 、i ma d a p t i v ot r a n s m i s s i o nr a t oa c c o r d i n gt ot h ew i r e l e s sc h a n n e l q u a l i t yo ft h ea c c 鼹su s e r s s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i sa l g o r i t h mc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v e t h ea v e r a g eu s e r s p r o f i l ea n de n h a n c et h es y s t e ms p e e m m ae f f i c i e n c y k e yw o r i o s - s p e c t r u ms h a r i n g ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，n o n - r e a l - t i m es e r v i c e , a d a p t i v et r a n s m i s s i o nr a t e , u t i l i t yf u n c t i o n i l l ：，+； 4、雌。寥f碡_，、 1 2 1 认知无线电的定义2 1 2 2 认知无线电的基本功能3 i 2 3 认知无线电的关键技术4 1 3认知无线电研究现状5 1 4本文研究内容即结构安排7 第2 章认知无线电网络的频谱共享 8 2 1认知无线电频谱共享的概述8 2 2认知无线电频谱共享的研究模型9 2 2 1认知无线电频谱共享的基本模型9 2 2 2 认知无线电频谱共享性能的衡量l o 2 3 认知无线电频谱共享的研究方法1 l 2 3 1 博弈论方法l l 2 3 2拍卖理论方法1 2 第3 章基于分组调度的频谱共享 3 1分组调度。1 3 3 1 1 分组调度概述1 3 3 1 2分组调度原理1 3 3 1 3 分组调度面临的问题1 5 3 1 4 分组调度典型算法1 7 3 2 3 2 1 3 2 2 3 2 3 3 3 3 3 1 3 3 2 3 4 3 4 1 3 4 2 3 4 3 基于分组调度的认知无线电频谱共享2 0 基于分组调度的认知无线电频谱共享的意义2 0 认知无线电调度主要研究的问题 基于分组调度的认知无线电频谱共享的研究模型2 2 基于分组调度的频谱共享的系统实现和仿真设计2 3 系统实现。2 3 仿真设计。， ，。2 4 仿真结果分析2 6 仿真环境参数设置2 6 非授权用户平均吞吐量的仿真2 6 非授权用户公平性的仿真2 8 v v l im十r h 。 卟 ，：，k ?_n，0t，i 第1 章引言 本章首先介绍了认知无线电【1 2 】( c r ，c o g n i t i v er a d i o ) 的产生背景，然后对认知无 线电的定义，功能和关键技术等基本概念进行了阐述，随后又介绍了国内外认知无线 电的研究现状。最后，提出了本文的研究方向认知无线电中的频谱共享问题及其 所具有的意义，并且介绍了本文的论文结构和内容安排。 1 1 认知无线电产生的背景 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( w p a n ) 、 无线局域网( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 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置度是固定频带分配的原 则，将频谱分为两个部分，授权频段与非授权频段。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却少之又少。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( f c c ) f 3 】的统计，美国已分 配频段的频谱利用率仅为1 5 * , - 8 5 。因此，我们可以得出结论，频谱资源的紧张并 不是因为可用频带已经耗尽，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现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。 于是，认知无线电的概念在这个时候应运而生。它的出现，正好在理论上解决了 频谱分配不均，一些频段频谱资源紧张而另一些频段频谱利用率又过低的问题。认知 无线电的基本思想就是：使无线通信设备具有认知周围无线环境的功能，在不影响授 权频段正常通信的前提下，按照某种机会的方式接入授权频段，并动态的使用频谱。 这种可以被伺机的动态接入的频谱资源被称为“频谱空洞忡，其可以看成一个多维的 概念，即在时域，频域和空域上授权频段无线通信设备的通信空缺都可以被看做“频 谱空洞”而被具有无线环境认识能力无线通信设备伺机的进行动态频谱接入。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”。 1 2 认知无线电的基本概念 1 2 1 认知无线电的定义 在认知无线电的发展过程，不同的学者和研究机构因为存在对认知无线电认识角 度和研究方法之间的差异，所以他们对认知无线电的定义也不完全相同。 认知无线电的概念最早是由j o s e p hm i t o l a 提出【5 1 ，他在2 0 0 0 年的博士论文中详 细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嘲： “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 西t a la s s i s t a n tp 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。 j o s e p hm i t o l a 认为通过软件定义无线电( s d r ) 的平台结合对无线环境的检测、 推理能力在高层用软件重定义无线电信号是实现认知无线电的理想方法。认知无线电 是软件定义无线电的智能化，可以通过无线电认知语言( r k r l ) 与无线电网络进行交 流【7 l 。所谓认知，主要强调对环境的学习和推理能力，通过感知无线环境的变化，实 时的进行自适应调整，使信号适应无线环境的变化。 另外一种对认知无线电的定义方法是从无线频谱管理的角度出发，由美国联邦通 信委员会( f c c ) 提出，将任何具有自适应频谱感知能力的无线电都称为认知无线电。 其狭义的定义为【8 】：“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( s o f t w a r ed e f i n e d r a d i o s s d r s ) ，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”。认知无线电技术的基本要求在于：共享授权频段的频谱资源，首先要保证在授 权频段的正常通信不被影响的前提下，具有认知周围无线环境功能的无线通信设备， 按照某种机会的方式接入授权频段，并动态的使用频谱。我们通常把授权频段正常通 信的用户称为授权用户，以机会的方式接入频段的用户称为非授权用户。因此，认知 无线电非授权用户需要很高的灵活性以适应不断变化的无线环境并保证不对授权用 户干扰。 2 检测可用频段特征，然后发现频谱空洞；频谱分析分析估计所感知到的频谱空洞 的特点：频谱判决认知无线电根据频谱分析的结果和用户的需求选择适当的频谱 空洞。这三个步骤就是我们通常所说的认知循环，如图1 1 所示。 图l - ! 认知循环模型心姗 选定适合的频谱空洞后，并不是代表认知无线电用户可以长期利用这一频带进行 通信。因为无线环境是不断变换的，所以认知无线电设备也需要不断感知无线环境， 并根据其变化进行相应的调整。这就要求认知无线电具有重配置功能。所谓重配置功 能，是指在一个传输过程中，在不改变任何硬件组建的前提下，可以调整无线设备的 3 工作频率，调制编码方式，传输功率等通信参数 具有了这两项基本的功能，当频段出现授权用户的时候，非授权的认知无线电设 备便可以及时感知，并重新配置自己的频段或发射功率，从而避免对授权用户频段的 使用产生影响。因此，认知无线电设备需要支持可以在多个频带上并且能够以不同的 方式进行发射和接收，灵活的使用频谱。 1 2 3 认知无线电的关键技术 为了完成认知无线电的两个基本功能，从物理层到应用层都有相应的技术需要解 决，其中认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的进行感知，当授权用户出现时，非授权用户要做出自己的 调整，让出频段或降低发射功率，不能影响授权用户的正常通信。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【l l 】。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， 而且它们的频谱特征与使用时间也不尽相同，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【i 羽。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。在频谱分析的基础上，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q o s 和频谱空洞 的特性，为特定非授权用户选出最优的频谱空洞或者对各频谱空洞按照满足用户q o s 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， 并为高层频谱共享提供服务。 频谱共享：频谱共享技术是认知无线电网络的核心，可以说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与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。频谱共享是本文讨 4 论的主要问题，将会在第二章进行详细的阐述。 频谱移动性管理【1 3 】：当认知无线电正在使用的频谱空洞出现授权用户或者认知无 线电检测到了传播特性更好的频谱空洞时，需要切换到其他频段继续通信。频谱切换 会带来时延，导致系统性能下降。频谱移动性管理的目的就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域 新的研究热点，这技术使认知无线电技术变得更加成熟和完善。 1 3 认知无线电研究现状 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，提出了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i e e e 的i e e e 8 0 2 2 2 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其自身的意义。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 2 2 1 4 , 1 5 j i e e e s 0 2 2 2 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( i e e e ) 于2 0 0 4 年成立了8 0 2 2 2 工作组，主要研究构造固定的点到多点的工作 在5 4 m h z 8 6 2 m h z 的u h f v h f 电视频段上的认知无线电频谱接入，在不对t v 广 播产生干扰的前提下，实现无线区域接入网( w ra n ) 的物理层和m a c 层技术标准。 i e e e 8 0 2 2 2 中使用特殊的1 v 频段及保护频段进行通信，这些频段的利用率较低。 i e e e 8 0 2 2 2 标准的一个主要特色就是在功率足够的情况下可以覆盖1 0 0 公里的广阔 区域，这是其他的i e e e 8 0 2 标准不能与之相比的。i e e e 8 0 2 2 2 基站使用一种独特的 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来完成分布式检测行 为。 ( 2 ) 频谱池【1 6 ，1 7 1 频谱池的概念j o s e p hm i t o l a 首先提出。频谱池系统是一个基于正交频分复用技 术o f d m 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。 5 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 ) x g 项目 9 1 x g 项目由美国国防部高级研究计划署( d a r p a ) 资助，其目标是使得美国军用 通信设备可以检测无线环境变化，根据所处环境的频谱管理政策选择频谱。x g 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 a dh o e 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 ) c o r v u s 系统【1 8 】 c o r v u s 是认知无线电方法使用虚拟免认证频谱( ac o g n i t i v er a d i oa p p r o a c hf o r u s a g eo f v i r t u a lu n l i c i e s e ds p e c t r u m ) 的缩写。该系统是由美国加州大学b e r k e l e y 分 校的r wb r o d e r s e n 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c o r v u s 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c o r v u s 试验台来评估物理层和m a c 层的性能。 ( 5 ) n a u t i l u s 项目【1 9 】 n a u t i l u s 项目由微软亚洲研究院和美国加州大学s a n t ab a r b a r a 分校( u c s b ) 的 h a i t a oz h e n g 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，n a u t i l u s 项目中提出了一个分布式、 并能有效协调开放频谱接入的a dh o e 网络框架，该框架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l 丽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先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，n a u t i l u s 项目的重点在于考虑如何用所提 的分布式协调框架选择最好的信道传输数据。 6 1 4 本文研究内容即结构安排 频谱共享是认知无线电的核心，允许非授权用户在授权频段未被利用的频谱上进 行伺机传输，与授权用户共享频段，是解决当前频谱资源稀缺问题的重要途径。本文 主要对认知无线电网络中的频谱共享问题进行了研究，并探索了将分组调度与频谱共 享相结合的可行性。在考虑了用户的q o s 要求和无线链路特性之后，通过引入自适 应传输速率，本文设计了一种非实时业务的频谱共享算法，力求可以提高非实时业务 网络中的频谱利用率。 本文的结构安排如下： 第二章概括性的介绍了认知无线电频谱共享； 第三章介绍了分组调度原理，认知无线电关于调度的主要研究情况，并通过系统 设计和m a t l a b 仿真，探索了基于分组调度的频谱共享的可行性； 第四章是本文的重点，介绍了本文的研究模型，并通过数学推导，提出了基于调 度的频谱共享改进算法，最后通过m a t l 曲仿真对算法进行了验证； 第五章对全文进行了总结，并提出了研究中的一些不足以及所需的改进。 7 3 图2 - i 认知无线电分层功能翻 管理者 线频谱 频段未 主要讨 要的介 已经成 影响授 源的再 所示。 时对无 对认知无线电网络频谱共享技术的研究表明有效的频谱共享方案需要在各种因 素之中找到平衡点。比如用户间的合作能够带来更高的频谱利用率和公平性，但是， 用户之间交换频谱信息会带来相应的开销，这就削弱了合作式频谱共享所带来的优 势。再者，o v e r l a y 频谱共享和u n d e r l a y 频谱共享技术都会受到相应无线接入技术的 制约。o v e r l a y 频谱共享主要是利用“频谱空洞”进行伺机传输而避免非授权用户对授 权用户的干扰，而u n d e r l a y 频谱共享技术则是通过动态扩频技术避免用户间的干扰。 另外，我们需要对系统的复杂性与性能进行综合考虑，所以混合的频谱共享方式将成 为研究考虑的因素。认知无线电领域现有的一些频谱共享方面的研究成果正是前面所 述的各类频谱共享方式的组合。 2 2 认知无线电频谱共享的研究模型 2 2 1 认知无线电频谱共享的基本模型 一般来说，认知无线电的频谱共享可以位于非授权频段，或授权频段的频谱空洞。 频谱共享算法通常需要将网络结构、用户无线环境、用户行为等进行综合考虑，通过 一些优化理论，寻找有效的频谱接入规则。在授权频段上，我们将拥有频谱授权的用 户称为授权用户，利用频谱空洞伺机接入的用户称为非授权用户。频谱共享在授权频 段，授权用户对频谱具有绝对的优先级，任何非授权用户都不得干扰授权用户的正常 通信，并且当授权用户出现时，非授权用户需要将频谱无条件让出。一般来讲，非授 权用户的优先级是等同的，对非授权用户的服务采用先到先得的方式。在需要进行频 谱定价的认知无线电网络中，非授权用户的优先级按价格决定，出价最高的非授权用 户获得频谱的使用权。为了更合理的给各个非授权用户分配优先级，可以将分组调度 引入频谱共享，通过合适的调度算法完善整个网络的性能。结合分组调度的频谱共享 是本论文的主要内容，将在后面进行重点阐述。通常，当非授权用户试图在授权频段 与授权用户共享频谱时，需要先向授权用户发送频谱接入请求，授权用户根据系统中 频谱池的可用情况选择给非授权用户分配合适的带宽或者不对其进行频谱分配。认知 无线电网络中频谱共享的一般模型如图2 2 所示： 9 收益函数的概念来自于微观经济学中的博弈论【2 2 1 ，用以描述用户对所获得的商品 或者服务的满意程度。 定义2 1 【2 3 1 ：收益函数u 是一个从策略集合彳到实数集合尺的一个映射，记为 u ：么- - r 1 ，如果对于所有x , y a ，当且仅当“( x ) “( y ) 时，策略x 比策略y 的满意 程度要高。 在将博弈论引入频谱共享算法的研究以后，对频谱共享算法性能的衡量就有了收 益函数这个概念。随后一些其他研究频谱共享问题的方法也借用博弈论中收益函数的 概念来对算法的性能进行衡量。通过收益函数，给频谱共享算法建立数学模型，力求 最大化网络频谱总收益。 收益函数的具体定义没有作出限制，不同算法可以用不同的量纲对收益进行衡 量。例如在基于博弈论的频谱共享算法的研究时，通常用总信道容量或者频谱带宽作 为收益函数对系统进行建模【2 1 1 ；在基于拍卖理论的最优定价模型中，所有频谱获得的 1 0 总利润为收益函数f 2 4 1 。此外，系统干扰的降低、系统能量的节省、用户是否可以获得 信道接入权等也可作为收益函数的考虑因素。 2 3 认知无线电频谱共享的研究方法 2 3 1 博弈论方法 博弈论是一门用来对某些情形建模的学科，在这些情形下决策者必须采取特定的 行动这些行动相互作用，而且可能是相互矛盾的。将博弈论应用于无线网络这方 面已经有了很多的工作。一个博弈g 的基本元素包括参与者、策略、收益以及知识， 可表示为如下的策略式：g = ( 只s u ) ，筇和u 分别是所有参与者的集合，策略空间 的集合和所有参与者收益函数的集合【2 2 1 。考虑一个参与者f p ，一f 代表集合p 中除f 以外的其他所有参与者，他们经常被认为是f 的对手。昂代表参与者f 的策略空间， 所有参与者被选策略的集合构成策略组合s ( 如，对两个参与者j = p ，s 2 ) 。收益“知) 是给定参与者i 的策略s 下的利益b 和成本c 的差( 即“o ) = ) 砸) ) 。 下面我们用一个称作“多址接入博弈【2 5 】”的博弈来作为频谱共享博弈的一个简单 示例，阐明博弈论的基本概念。在这个博弈中，有p ，p 2 两个参与者共享无线频谱， 他们要给他们各自的接收者，j ，您发送一个包。参与者在每个时隙中有一个包要发送， 他们或者传送( t ) 或者退避( q ) 。当参与者p ，发送时，他带来一个传送成本c ，满 足0 其中q ( f ) 为用户在时刻t 能获得的数据速率，r j ( t ) 为到t 时刻为止用户的平 均吞吐量，其计算规则洲为 1 9 乏。+ 1 ) = 【( o l 一- 1 1 f c o ) 五r ( ( o f ) + r ( 。乞 七= f 。 式( 3 3 ) k k 乞代表用户统计平均速率的时间窗，其值与各用户分组数据对时延的要求有关； 七宰为当前时刻被调度的用户。 正比公平调度算法在使系统吞吐量得到了提高的同时，也保证了一定的公平性。 其综合性能优于最大c i 调度、轮询调度、公平吞吐量调度三种算法。图3 2 中两用 户在该算法下的调度顺序如图3 - 6 所示。 用户l用户l用户l用户2用户2用户1用户l用户2 图3 6 用户正比公平调度顺序【3 1 1 3 2 基于分组调度的认知无线电频谱共享 3 2 1基于分组调度的认知无线电频谱共享的意义 认知无线电的提出就是为了提高频谱利用率，解决当前频谱资源紧张的问题。通 过频谱共享，允许非授权用户适时的接入授权频带，是达到这一目的的有效途径。如 何设计有效并且无冲突的用户的频谱接入规则，是认知无线电频谱共享算法最重要的 问题之一。 分组调度能够适应不同业务不同q o s 的要求，为存在于同一系统的多个用户提 供有序的无线频谱接入。分组调度需要对调度目标进行综合考虑，包括系统吞吐量， 调度算法复杂度，公平性等，因此我们可以将分组调度看作一个多目标优化问题。一 个好的调度算法，不仅能够保证用户的时延、速率等要求，并且能够通过合理安排用 户对无线频谱的接入顺序，提高频谱效率。 因此，在具备调度条件的集中式无线网络中，我们可以将分组调度技术应用于认 知无线电频谱共享。通过分时调度，制定多个用户的频谱接入规则，避免用户间对频 谱使用的冲突，并且通过采用合理的调度算法，寻求多个用户的最优接入，提高系统 总收益。 3 2 2 认知无线电调度主要研究的问题 目前已经有许多学者和研究机构对认知无线电网络中的调度问题的进行了研究， 从不同的角度提出了许多调度算法 文献 3 2 1 讨论了被调度的队列中同时包含授权用户和非授权用户的情形，此时授 权用户将获得对频谱绝对的优先权，并且授权用户都将处于同一等级，以先入先出 ( f i f o ) 的方式使用频谱。非授权用户将被进一步划分优先权等级。文章对单信道这 一简化环境进行了考虑，将系统进行最优化数学建模，取系统总加权停留时间为目标 函数，每个用户的权值用来调节目标函数的大小。显而易见，目标函数值最小的时候 为系统最优的情况，求解数学问题便可以得到权值的最优解，这组最优解的权值即为 用户的优先级，权值最大的用户最先接入频谱。 在认知无线电系统中，准确的物理层频谱感知是保证授权用户q o s 所必须的。 通常的频谱感知由非授权用户合作参与，然而，因为感知信道需要能量消耗，自私的 非授权用户只希望能获得更多的频谱接入机会，而不愿意进行合作频谱感知。文献 3 3 】 对这个问题进行了研究，提出了一种以更多的频谱接入机会作为激励的使非授权用户 更愿意消耗能量参与频谱感知的调度算法。算法给参与频谱感知的非授权用户一定的 优先级的提升，使其在频谱接入时占得先机。每个用户能量消耗所带来的损失和平均 吞吐量提升所带来的收益构成了对立，通过在多个用户之间进行博弈，以博弈的纳什 均衡作为系统最优解，得出每个用户应为频谱感知付出的能量，并以此为基础确定用 户的调度优先级。 认知无线电用户的业务呈现多样性，不同的业务有不同的q o s 要求。比如有些 业务对实时性要求较高，出现较大的时延将对该类业务造成极大的影响形成大量的丢 包。通常在负载变化的系统中，为确保用户q o s ，常常采用资源预留机制。然而这种 方式却造成了频谱资源的浪费，违背了认知无线电的原则。文献 3 4 1 对这个问题进行 了研究，提出了一种可以动态调整实时业务和非实时业务频谱分配比例的自适应调度 算法，这个自适应调度功能由一个随感知信道数目变化的自适应优先级函数实现。类 似的问题在文献 3 5 1 中也进行了讨论，文章也将业务分为实时业务和非实时业务两 类，并为这两类业务分别定义q o s 保障函数和公平指示函数，并且在此基础上提出 了一种基于干扰管理的调度算法。 在非授权频带或者授权用户长期空闲的授权频带，可以忽略对授权用户的考虑， 认知无线电系统中的频谱资源也相对稳定，不需要经常的感知。认知网络这种情况下 2 1 的调度问题类似于传统无线网络中的调度，其主要目标是为竞争有限频谱资源的多个 非授权用户确定一个良好的服务次序，在满足一定公平性和q o s 的前提下，尽可能 的提升系统的性能。 3 2 3 基于分组调度的认知无线电频谱共享的研究模型 ( 1 ) 研究问题： 本文考虑认知无线电非授权频带或者授权用户长期空闲的授权频带的频谱共享 问题，如上一小节所述，这种情况下主要考虑的问题是寻求高频谱效率的多个非授权 用户的频谱接入方案。 ( 2 ) 网络模型： 我们考虑基于o f d m a 3 6 】的认知无线电网络，网络类似于蜂窝式网络，小区属于 集中式网络结构，每个小区都包含中心控制节点a p 和用户设备u s e rs t a t i o n ，其中 a p 对该小区可使用的频谱具有授权，属于授权用户，u s e rs t a t i o n 需要在a p 授权以 后才能使用小区内频谱资源，属于非授权用户每个小区中的频谱资源将被划分为不 同的子信道，分时分配给用户进行使用，并且各子信道间保持正交，互不干扰。系统 的网络结构如图3 7 所示： 图3 7 基于分组调度的认知无线电频谱共享网络结构 ，jj 。 、i 鼻 一；。p 3 3 基于分组调度的频谱共享的系统实现和仿真设计 本节在3 2 3 节所提出研究问题和网络模型的基础上，将现有分组调度算法应用 于认知无线电频谱共享中，并对其系统实现流程和仿真平台进行了设计。 3 3 1 系统实现 我们考虑用户在系统中是移动的，在o f d m a 系统中，可用频谱被划分为各自正 交的子信道，但移动的用户会产生多普勒频移3 7 1 ，破坏不同用户的子信道的正交性， 造成同一小区用户之间的干扰；并且，相邻小区的用户也会对本小区产生同频干扰。 下面对系统过程进行详细介绍： 为了便于文章描述，先将下文要用到的符号进行定义： 胍授权用户a p 的个数，一个a p 对应一个小区； 非授权用户个数； f ：授权用户a p 的i d ，- - - - 1 ，施 ，：非授权用户的d ，户1 ，m g l ：各小区可用子信道数，= 1 ，施 烈) ：用户优先级函数，烈j ) 代表非授权用户_ ，的优先级。 系统主要过程为： 步骤一：授权用户a p 收集本小区内非授权用户的业务状态，无线链路状况，累 计被服务状况等信息： 步骤二。授权用户a p 收集本小区内可分配的子信道，等待分配给非授权用户； 步骤三t 计算非授权用户的优先级烈_ ，) ： 步骤四：授权用户a pi 分配本小区频谱，首先为非授权用户户a r gm a x # ( ) 分配 足够子信道，剩余资源按优先级高低顺序依次分配，直到小区i 内殿个可用子信道 已被分配或者本小区所有非授权用户都已获得资源； 步骤五：被分配信道的非授权用户在本次调度周期内发送数据，调度周期结束后 释放频谱资源，等待下一次调度。 图3 - 8 仿真平台执行流程 于本章 的种子 ，需要 了本文 其中上图中脚代表当前处于第几快照，其初始值为0 ，仿真总共需要j 幅快照。 ，l f 代表当前系统运行到第几帧，一帧即为一个调度周期，初始值为0 ，系统总共 需要运行f 帧。系统中各个小区中的频谱共享算法并行进行，这个频谱共享算法即本 节讨论文的基于分组调度的认知无线电频谱共享，算法主要实现流程如图3 - 9 所示： 授权用户i 收集 本小区内状态 1 授权用户收集：2 1 芷4 - 区内可分舀己频谱资源 1r - 求t f - 授权用户优先级； 令j = a r gm a x 西( j ) 上 及权甭户i 为非授权用户j 分配x 个子信道，x 为系统町分配并且 用户需要的最大子信道数 1r j 一西1 ( 西( i ) 一1 ) i k k + x s 被分配信道的非授权用 户在本帧发送数据，本 帧结柬后释放频潜资源 图3 9 基于分组调度的认知无线电频谱共事算法实现流程 其中上图中石为每次给用户分配的子信道数，其值由小区现有资源情况和被调度 用户的需求确定，后代表本小区已经被分配的子信道数，( 烈，) 一1 ) 代表优先级仅次 于_ ，的非授权用户，当烈，) = l 时，j 为本小区优先级最低的用户。 3 4 仿真结果分析 3 4 1 仿真环境参数设置 考虑在一个1 0 0 1 0 0 的区域中，存在m - - 4 个授权用户a p ，将区域分成4 个小区， 假设各小区中的可用于非授权用户接入的频谱资源相等，被划分为k y - - 4 个子信道。 有n 个非授权用户随机分布于区域中，本节仿真主要考虑用非授权户数的变化对系 统性能的影响，考虑n = 8 向n = 2 8 变化。非授权用户的初始位置坐标服从均匀分布， 并且均以y = 1 0 个单位的速度沿着随机的一个方向在区域中移动，对于将要移出系统 的用户，定义其将从对端的边界进入系统。 本文的仿真主要考虑对非实时业务的仿真，非实时业务的q o s 主要关心吞吐量 的性能，而对时延的要求不高，这与所设计算法的性能相吻合设个非授权用户 将在各小区发起f r p 业务请求，他们所要发送的业务量为聊，并且按方差为4 0 0 0 ， 均值为1 0 0 0 0 的正态分布对产1 ，2 ，取值。并且考虑一个子信道可以提供5 0 到 1 5 0 的分组传输速率，速率的大小与用户的干扰情