（计算机科学与技术专业论文）认知无线网络动态频谱分配技术研究与实现.pdf

北京邮 乜人学硕i j 学位论文 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：2 善0 陡爿址 日期：j 盈生生二肇l 一 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：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： 丛乜= f 二! 旦 同期：上址 卜一 ，“ 北京邮, l l 人学顷i ? 学位论文 弘缸一 吒 ， i j 认知无线网络动态频谱分配技术研究与实现 摘要 随着无线通信技术的发展和当前无线应用的不断拓展，正如文献 t i l l 2 】【3 】所述，频谱资源的缺乏已成为无线应用研究过程中不得不面临 的问题。然而，一些研究结果表明，目前大量的珍贵频谱资源并未得 到充分利用，甚至在很多时候处于空闲状态。为了有效解决频谱资源 稀缺的问题，一种称为认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的新的频 谱使用模式正逐渐受到人们的关注。 本论文研究的主要内容是认知无线电系统中动态频谱管理的频 谱分配问题。首先总结并概述了两种频谱共享模型：下垫式和填充式 模型，并介绍了下垫式模型所引出的干扰温度模型。接着，本文介绍 了以图论为代表的集中式频谱分配模型理论以及以博弈论为代表的 分布式频谱分配模型理论。之后，本论文主要基于干扰温度模型分别 从集中式和分布式的角度来处理频谱分配算法。 在现有的动态频谱分配算法中，基于主用户活动对认知用户的影 响的相关研究不多，本文在充分考虑主用户活动对认知用户活动影响 的基础上提出基于授权频谱时间利用率的动态信道分配算法。该算法 适用于授权频谱与非授权频谱及只有非授权频谱的频谱环境。最后， 为验证所提算法在性能上的改善，设计并实现了仿真实验。通过仿真 验证了所提算法的收敛性，并且该算法相比选择性频谱分配算法，在 广播延时、信道冗余两个性能方面有很大提高。同时，理论推导与仿 真结果的一致也证明了算法的正确。 关键字：认知无线电( c r ) ，中心式，分布式，动态信道分配，自适应， t。一心 动性。 一 一 i nt h ep r o c e s so fr e s e a r c hi nw i r e l e s sa p p l i c a t i o n s h o w e v e r , s o m es t u d i e s s u g g e s tt h a tt h el a r g en u m b e ro fp r e c i o u ss p e c t r u mr e s o u r c e sh a sn o t b e e nf u l l yu t i l i z e dc u r r e n t l y , a n de v e ni nm a n yc a s e si si d l e i no r d e rt o e f f e c t i v e l y a d d r e s st h ep r o b l e mo fs c a r c es p e c t r u mr e s o u r c e s ，an e w s p e c t r u mu s a g ep a t t e r n c o g n i t i v er a d i o ( c r ) a r eg r a d u a l l yb e i n g p e o p l e sa t t e n t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i si s s p e c t r u m a l l o c a t i o no fd y n a m i c s p e c t r u mm a n a g e m e n ti nt h ec o g n i t i v er a d i os y s t e m f i r s t ，as u m m a r y a n da no v e r v i e wo ft w ok i n d so fs p e c t r u ms h a r i n gm o d e l s - - - o v e r l a y m o d e la n du n d e r l a ym o d e la r eg i v e n a n dt h ei n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e m o d e ll e db yu n d e r l a ym o d e li si n t r o d u c e d t h e n ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sa g r a p ht h e o r yr e p r e s e n t e db yt h ec e n t r a l i z e ds p e c t r u ma ll o c a t i o nm o d e l t h e o r y , a sw e l la sg a m et h e o r 5r e p r e s e n t e db yad i s t r i b u t e ds p e c t r u m a l l o c a t i o nm o d e lt h e o r y l a t e r , t h i sp a p e rd e a l sw i t hs p e c t r u ma l l o c a t i o n a l g o r i t h mi nt w ow a y so fc e n t r a li z e da n dd i s t r i b u t e ds e p a r a t e l yb a s e do n i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r em o d e l t h ef o c u so ft h i sp a p e ri st h ef o u r t hc h a p t e r t h r o u g ht h er e s e a r c hw e f o u n dt h a tt h e r ei sn oa r t i c l et h a th a sy e tc o n s i d e r e dt h ep r i m a r yu s e r a c t i v i t yi ns p e c t r u md e c i s i o n t od e s c r i b et h ep r i m a r yu s e ra c t i v i t yi nc r n e t w o r k s ，an e wm e t r i c u p - t i m er a t i oo fs p e c t r u mi sp r o p o s e di nt h i s a r t i c l e ，w h i c hi sd e f i n e da st h er a t i oo fo c c u p a n c yw i t h i no n ed a yt ot h e w h o l et i m e ，r e f l e c t i n gt h el e v e lo fu s a b i l i t yo fs p e c t r u mf o rs e c o n d a r y u s e r s t a k i n gf u l l y a c c o u n to ft h em a i nu s e ra c t i v i t i e si m p a c t i n go n c o g n i t i v eu s e ra c t i v i t i s e ，as p e c t r u md e c i s i o nb a s e do nu p t i m er a t i o i i i t拳；。善 北京邮i 乜人学硕l ：学位论义a b s t r a c t o fs p e c t r u m ( s d u t r ) i sp r e s e n t e d ，w h i c hp u t sk e yf o c u so nr e d u c i n g c o l l i s i o no nt h el i c e n s e ds p e c t r u mb e t w e e nt h ep r i m a r yu s e ra n dt h e s e c o n d a r yo n ea n dc a no p e r a t e so v e rh e t e r o g e n e o u ss p e c t r u m b a n d s m o r e o v e r , s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt r a n s m i t t i n go v e rt h em i n i m u mc h a n n e l s e ts o l v e db ys d u t rc a nr e d u c eb r o a d c a s t i n gd e l a ya n dc u td o w n i n f o r m a t i o nr e d u n d a n c ya sc o m p a r e dt os e l e c t i v eb r o a d c a s t i n g b e s i d e s ， a v a i l a b l eu n a l l o c a t e dc h a n n e l sw i l lb eu s e da ss t a n d b yc h a n n e ls e ta s c o l l i s i o nb e t w e e nt h ep r i m a r yu s e ra n dt h es e c o n d a r yu s e ro c c u r s m e a n w h i l e ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h es a m e a l g o r i t h ma l s op r o v e dc o r r e c t k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ( c r ) ，c e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d ， d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，p r i m a r yu s e r , u p t i m er a t i oo fs p e c t r u m a c t i v i t y i v 一 产 业 j 北京邮电人学硕i ： 认知无线网络 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 背景介绍1 1 2 认知无线电的概念、特点和应用场景2 1 2 1 认知无线电的概念2 1 2 2 认知无线电的特点一3 1 2 3 认知无线电的应用场景5 1 3 国内外对认知无线电的研究现状6 1 3 1 国外对认知无线电的研究6 1 3 2 国内对认知无线电的研究9 1 4 国内外对动态信道分配的研究现状1 0 1 5 研究背景和选题意义1 2 1 5 1 动态频谱管理思想的产生1 2 1 5 2 认知无线电是实现动态频谱管理的技术基础1 3 1 6 本论文主要研究内容和结构安排1 6 第二章认知无线网络动态频谱分配模型1 8 2 1 认知无线电系统模型1 8 2 1 1 认知无线电的研究模型1 8 2 1 2 认知无线电的频谱共享模型2 0 2 2 认知无线网络中的动态信道分配策略2 1 2 2 1 频谱分配技术的分类2 2 2 2 2 频谱分配技术的原则2 3 2 2 3 频谱分配的关键技术2 4 2 2 4 认知无线电的频谱分配模型2 5 2 3 中心式结构动态信道分配模型2 8 2 3 1 问题模型和效用函数2 9 2 3 2 图论着色模型3 1 v t f k，tj一 北京邮i u 人学硕l ：学位论文 日录 2 4 分布式结构动态信道分配模型3 5 2 4 1 搏弈论模型的引入3 5 2 4 2 问题模型与效用函数3 7 2 5 频谱分配的其他模型3 9 2 5 1 拍卖竞价模型3 9 第三章认知无线网络动念频谱分配算法4 l 3 1 中心式动态信道分配技术的引入4 1 3 2 中心式结构动念信道分配技术的数学模型4 2 3 2 1 系统场景描述4 2 3 2 2 系统模型的数学描述4 4 3 3 基于中心式动态信道分配算法4 5 3 3 1l i s t - c o l o r i n gb a s e dg r e e d ya l g o r i t h m 算法4 5 3 3 2 队调式最大化系统总带宽( c m s b ) 算法4 6 3 4 基于分布式结构动态信道分配算法。4 8 3 4 1l i s t c o l o r i n gb a s e df a i ra l g o r i t h m 算法4 8 3 4 2 基于潜在博弈论的动态信道分配算法设计5 0 第四章基于授权频谱利用率的动念频谱分配模型及算法5 5 4 1 动态频谱管理5 5 4 1 i 动态频谱管理概念5 5 4 1 2 频谱决策5 6 4 2 模型假设5 6 4 2 1 信道特征5 6 4 2 2 节点特征5 6 4 2 3 网络状态5 7 4 3 模型构造5 7 4 4 模型实现5 8 4 4 1 邻居图的构造5 9 4 4 2 最小邻居图的确定一6 0 4 4 3 本算法性能分析6 4 4 5 仿真实验及结果分析6 5 4 5 1 仿真实验6 5 4 5 2 实验结果分析6 5 4 6 总结6 8 第五章总结与展望6 9 v l j v i l 北京邮i u 人学颁i ：学位论文h 录 v ! i i ， j 北京邮电人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 1 背景介绍 第一章绪论 随着无线通信技术的发展和当前无线应用的不断拓展，j 下如文献1 1 】1 2 l 所述， 频谱资源的缺乏已成为无线应用研究过程中不得不面临的问题。但是，有一些研 究结果表明，目前大量的珍贵频谱资源并未得到充分利用，甚至在很多时候处于 空闲状态。美加州大学b e r k e l y 分校对频谱利用情况的实测结果表明1 3 】，3 g 以上 的频谱几乎没被使用，而3 g 以下的频段有多达7 0 未被充分利用，如图1 1 所 示。 羞 髦 苞 廷 蠛 |， j ；：；。hl ；。| 乙- fr e q 艟翻印( g h z ) 图1 1b e r k e y 分校对频谱利用情况的实测结果 文献【4 儿5 j 指出，造成频谱资源紧缺的主要原因是现有的频谱管理方式和频谱 分配策略。现有的无线通信系统分配频谱的方法主要是基于固定分配方式，即将 某一无线频谱块分配给某一特定的无线接入网络，然后再把这个无线频谱块划分 为若干个频谱子块，这些频谱块相互之间间隔一个固定大小的保护频段，分配给 得到授权的不同运营商，只有这些运营商的授权期限结束之后才可以分配给其他 用户。在固定分配方式下，即使授权用户在某一时间、地点没有使用其授权频谱， 其他非授权用户也不能使用该频段，从而导致频谱资源在时间和空间上的浪费， 频谱利用率低下，不适应无线通信的高速发展。例如大多数通信网络本着保证本 网络可能的最大传输流量而进行设计和建设，但是大多数网络在工作中并非一直 处于满负荷状况，于是必不可免地造成资源浪费。因此，可以看到当前的频谱管 理策略是基于静态控制的模型，将这些固定频谱块以独占的方式分配给不同的服 北京i i | l ji 【1 人学硕i ：学位论文第一章绪论 务和技术，因此导致了很低的频谱利用率。 为了解决上述频谱利用率低下的问题，近年来，一种称为认知无线电6 】 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的新的频谱使用模式正逐渐受到人们的关注。认知无线 电的基本思想是：在不对拥有频谱的主用户产生有害干扰的前提下，认知无线电 用户通过择机( o p p o r t u n i s t i c ) 的方式接入主用户的空闲频段，以提高频谱利用 效率。 1 2 认知无线电的概念、特点和应用场景 1 2 1 认知无线电的概念 认知无线电的概念首先由j o s e p hm i t o l a 博士提出，他在1 9 9 9 年发表的一篇 学术论文1 7 j 中第一次提到了认知无线电的概念，2 0 0 0 年在其博士论文1 8 j 中又进行 了详细的描述。他认为，认知无线电主要依据软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e d r a d i o ，s d r ) 的思想，是一种新的以频谱共享为目的的智能无线通信技术，它 可以感知无线电传输的环境特性，通过无线电描述语言( r a d i ok n o w l e d g e r e p r e s e n t a c t i o nl a n g u a g e ，r k r l ) 与通信网络进行智能交流，来调整其无线系 统参数，使系统的无线规则满足用户通信最佳性能要求。之后，维吉尼亚技术中 心、美困联邦通信委员会( f c c ) 、幽际电信联盟( i t u ) 、j o h nn o t o r 等组织和 个人也对认知无线电提出了自己的定义。以r i e s e r 为首的维吉尼亚技术中心认 为：c r 不一定需要s d r 的支撑，采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统 无线电系统的物理层和媒体接入控制( m a c ) 子层的演进过程建模，更适用于 可快速部署的灾难通信系统1 9 j 。 f c c 认为认知无线电是一种可通过其运行环境而改变其发射机参数的无线 电，任一无线电只要能够具有自适应频谱感知功能的都可称为认知无线电1 1 0 l 。 在f c c 的报告中，进一步描述了认知无线电的五个可能应用领域： ( 1 ) 在低人口密度和低频谱使j 丑率( 如郊区) 的区域可以增加发射功率8 d b ； ( 2 ) 主用户以可以中断的方式向认知无线电用户出租频谱； ( 3 ) 利用用户的空i 玎j 和时问特性动念协调频谱共享； ( 4 ) 促进不同系统问的互操作； ( 5 ) 利用发射功率控制和环境判决实现多跳射频网络。 i t u 定义认知无线电为：可感知或了解其操作的环境从而动态、自 f f l l 鱼调整 其操作参数的无线电或系统都称为认知无线电l l l l 。 j o h nn o t o r 认为软件无线电并不是c r 实现的必然条件，c r 也不是软件无线电 2 北京邮i u 人学硕1 二学位论文 第一章绪论 的发展，它们之间是重叠关系1 1 2 】。 在本文中，我们采用2 0 0 5 年s i m o nh a y k i n 教授在文献【1 3 】中从信号处理的观 点对认知无线电进行定义：“认知无线电是一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( l t 如传输功率、载波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的 统计性变化，从而实现任何时间、任何地点的高度可靠通信和对频谱资源的有效 利用。” 总的来说，认知无线电就是一种能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环 境，根据一定的学习和决策算法，实时、自适应地改变系统工作参数，动态地检 测和有效地利用空闲频谱的无线电f 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 l 。它的认知循环过程如图1 2 所示。 图1 2 认知无线电认知循环模型 由图1 2 可看出，认知无线电系统首先通过分析外部环境提供的激励来认识自 己通信的内容，然后对接受和发送内容进行分析，之后再选择合适的解决方式， 其结果就是为了实现频谱的高利用率和通信的高可靠性。 1 2 2 认知无线电的特点 认知无线电是建立在软件无线电平台之上的一个智能无线通信系统，它能够 感知外部环境、使用边了解边累计的方法对外部环境进行学习，并根据外部环境 提供的激励，允许对参数( 如传输功率、载波频率、调制方式等) 进行相应的修改， 从而达到内部状态的自适应调整，其主要目的就是提高无线通信的可靠性和提高 无线频谱资源的使用效率。 3 第一章绪论 r f 激励 图1 3 认知无线电的认知循环 知学习循环的完整过程如图1 3 所示1 1 2 1 1 1 3 l 。外部环境提供 对这些激励进行处理和分析，从而提取有益于提高系统性 通过分析全球定位系统参数，或者加上亮度以及温度决定 通信环境是在室内还是在室外等等。这种处理发生在认知循环的观察阶段，对引 入和发出的信息进行分析来获得容量情况，包括分配给片j 户或是用户所需要提供 的容量。有时候这需要必要的自仃后相关信息末推测通信的突发性以及相关的内在 通信任务。基了上述信息，认知无线电系统进行通信资源的规划分配，做出决策， 启动接入控制过程，开始通信，并基于信息和学习规则调整通信系统状态以达到 最优性能，然后再开始下一轮感知( 观察) ，这是一个循环过程。 认知无线电的优势在于它可以不用专门授权就工作在授权用户的工作频段 上，对所谓的“闲置频谱”充分利用。授权用户( p r i m a r yu s e r ，p u ) 是指经过频 谱管理部门授权，在某一地区或者范围内具有合法使用某一段频谱权利的传统尤 4 z 笼；t i 鳓识五嗔终 戈确鬯砖终毛：缝t 4 f 赢终竣拖i 图1 4 认知无线网络结构 随着认知无线电的发展和深入研究，m o t o r o l a 和v i r g i n i at e c h 等公司提出了 认知无线网络的概念，他们认为认知无线网络是一种具有认知能力的网络，能够 感知网络当前的状况，并根据当前的状况来计划、决定并执行，可以实现自我配 置来响应和动态自适应操作和环境的改变。自我配置的主要功能是自我感知和自 动学习，通过具有网络感知的中间件和网络各组成部分分布式交叉来实现。认知 无线电作为节点构成智能的认知无线电网络，是该网络的核心。 一 ：1 2 3 认知无线电的应用场景 由认知无线电的定义可知，它有着广泛的应用场景： ( 1 ) 军事通信中的应用 认知无线电设备不需要如商用系统中的基础设施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 5 北京i i l i j i u 人学顾i j 学位论文第一章绪论 标准的设备进行通信，能够检测出敌方的传输等。美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。 ( 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1 1 6 l 。 ( 3 ) 商业 认知无线电虽是较新的概念，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应 用，如：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 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；高速下行分组接入，c 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，设定其 最有效的传输参数1 1 7 1 。 ( 4 ) 在a d h o c 网络中的应用 当c r 技术应用于低功耗多跳a d h o c 。网络中时，需要新的m a c 协议和路由 协议支持分布式频率共享系统的实现。通常，s u 之问的通信需要采用全局公共 控制信道来完成信令信息的传输，因此对于m a c 协议的设计需要考虑控制信道 的要求。在a d h o c 网络中引入c r 技术同样对路由协议也带来一些影响。传统的 路由指标如跳数、捌塞、时延等作为路由选择的依据己经不够充分，所以对于 c r 网络需引入新的路由指标，如信道切换数、信道切换频率等。另外，一般的 多跳a d h o c 网络在发送数据包时需要预先确定通信路由，采用c r 技术后，由于 来自周围无线系统的干扰波动较大，需要不断地更改路由，因此用于a d h o c 网 络中的传统路由技术不再适用。此外，由于网络路由协议的最优选择很大程度上 依赖于物理等环境的变化( 如多普勒效应，多径等) 和应用的需求，而在a d h o c 认 知无线电网络中，多种业务的q o s 需求的变化要比网络拓扑的变化还要快，因 此有必要研究次优化路由协议，以保证长期的网络性能优化【1 8 , 1 9 】。 1 3 国内外对认知无线电的研究现状 1 3 1 国外对认知无线电的研究 随着c r 技术的发展，各标准化组织和行业联盟也纷纷丌展相天的研究，且 6 北京邮j 乜人学硕i ：学位论文 第一章绪论 开始着手制定c r 的标准和协议。下面是一些主要的组织机构在c r 方面相工作 的进展。 ( 1 ) d a r p a d a r p a 于2 0 0 3 年成立了下一代通信计划( x g ) ，着眼于开发c r 的实际标准 和d s m 标准。计划研制以c r 为核心的系统方法和关键技术，以实现d s a 和 d s s 。2 0 0 6 年8 月1 5 日到1 7 只，s s c 和d a r r a 在阿尔卑斯山边界处第一次 联合演示了一个6 节点的x g 网络和三个2 节点x g 网络，涉及了四个测试场景： 两个是没有自适应性的x g 场景，另两个是x g 经过自适应频率调整之后的场景。 配备c r 的非授权用户使x g 网络在2 2 6 6 0 0 m h z 的频率范围内以多种形式感知 无线电信号，并自适应地调整自身的频率以防止对现有军用或民用无线电网络成 干扰。x g 网络测试在军管区进行，来自军队和政府频谱管理机构的1 0 0 多代表 见证了本次测试结果，此演示验证了d a r p a 关于在一个移动环境中与现有技术 实现频率共享的概念是可行的【2 1 】【2 2 l 。 ( 2 ) 欧盟f p 6 、f p 7 项目 f p 6 项目中，大型国际合作项目“端到端重配置( e n dt oe n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ， e 2 鼬项目”( 2 0 0 4 2 0 0 7 ) ，将c r 纳入其研究范围，通过基于认知算法的可升级和 可重配置的架构优化资源利用，其中北京邮电大学泛在网络教育部重点实验室是 该项目的中国唯一合作伙伴。在f p 7 框架下，仅2 0 0 8 年就启动5 个有关c r 和 网络的项目，投入超过5 0 0 0 力欧元。最具代表性的有： 大型国际合作项目e 3 ( e n d t o - e n de f f i c i e n c y ) ：投入约1 9 0 0 万欧元，研究面 向下一代移动通信的c r 和认知网络融合技术。北京邮电大学泛在网络教育部重 点实验室作为唯一的非欧盟合作伙伴加入了该项目。大型国际合作项目e u w b 项目：“c o e x i s t i n gs h o r tr a n g er a d i ob y a d v a n c e du l t r a w i d e b a n dr a d i o t e c h n o l o g y 主要基于u w b 技术特长来完成无线频谱环境感知和d s a 功能。 欧洲的研究重点是移动蜂窝网络为核心的频谱共享，并以国际标准化为目 标，但其研究主要面向工程实现和标准化，欠缺基础理论方面的研究【2 3 1 。 ( 3 ) l t u - r l t u 关于c r 的研究工作目前仍隶属于l t u r 8 a 工作组中的软件无线电研究 课题。因为软件无线电不足以涵盖c r 的所有范畴，所以l t u r 于2 0 0 6 年3 月 提出一项薪的建议，将c r 单独作为一个研究课题进行研究，说明r r u 已经充分 认识到c r 技术在未来通信发展中的重要意义。 ( 4 ) 软件无线电论坛 2 0 0 3 年8 月软件无线电论坛就开始探讨放松当n u u 格的频谱划分政策的可 能性，研究通过开发新的智能无线电设备从而提高频谱利用效率。该论坛于2 0 0 4 7 北京i l j i ；i 【1 人学硕j ：学位论文第一章绪论 年1 0 月成立了c r 工作组与c r 特殊兴趣组，专门开展有关c r 技术的研究。 c r 工作组主要任务是标准化c r 定义及确认可用于c r 的技术。特殊兴趣组的 任务是对工作组所确认的技术确定商业应用的价值。 ( 5 ) i e e e 8 0 2 2 2 2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 正式成立了1 e e e 8 0 2 2 2 工作组，这是第一个世界范罔 的基于c r 技术的空中接口标准化组织。i e e e 8 0 2 2 2 也被称为无线区域网络 ( w r a n ) ，系统工作于5 4 m h z 8 6 2 m h z 的v h f u h f 频段上未使用的t v 信道， 工作模式为固定的点到多点无线通信方式。该工作组目的是利用c r 技术将分配 给电视广播的v h f u h f 频带用作宽带接入。i e e e 8 0 2 2 2 系统规定的频谱效率在 o 5 5 b i t ( s * h z ) ，该标准相对于其它i e e e8 0 2 标准的湿著特点就是覆盖范围大， 如果功率不受限的话覆盖半径可达1 0 0 k m 。在用户驻地设备( c o n s u m e rp r e m i s e e q u i p m e n t s ，c p e s ) 有效全向辐射功率( e q u i v a l e n ti s o t r o p i c a l l yr a d i a t e dp o w e r ， e i r p ) 值为4 w 时，基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 的覆盖距离也可达到3 3 k m 。相关文献 对其总体结构、未来需求、自身及与其它同频段系统兼容性问题进行了讨论 1 2 4 , 2 5 ，2 6 1 。 ( 6 ) i e e e 8 0 2 1 6 h 随着c r 技术的发展，在非授权频段，d s m 的机制也应该有所改变1 2 7 】。 i e e e 8 0 2 1 6 h 标准提供了c r 在非授权频段的典型应用1 2 引。1 9 9 9 年，i e e e 成立 的8 0 2 1 6 工作组专门开发宽带固定无线技术标准( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t y f o r m i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 随着8 0 2 1 6 系列规范的不断制订和完善，频谱资源 问题成为制约技术发展的关键问题。2 0 0 4 年1 2 月，成立了致力于解决共存问题 的8 0 2 1 6 h 工作组，利用c r 技术使8 0 2 1 6 系列标准可以在免授权频段获得应用。 2 0 0 5 年1 月，确定了i e e e 8 0 2 1 6 h 标准的具体涉及内容。i e e e 8 0 2 1 6 h 标准由 l i c e n s e e x e m p tt a s kg r o u p 所制定，确保基于i e e e 8 0 2 1 6 的免授权系统之问的 共存，以及与授权用户系统之间的共存。 ( 7 ) i e e e s c c 4 1 ( 原i e e e l 9 0 0 标准组) i e e e 8 0 2 2 2 和8 0 2 1 6 h 都只是c r 的简单应用，为了进一步研究c r ，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e l 9 0 0 标准组，把重点放在d s a 网络，丌展与下一代无线 通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于c r 技术的发 展及与其他无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。2 0 0 7 年3 月2 2 同， i e e e l 9 0 0 标准组改组为i e e e s c c 4 1 ，目前包括4 个工作组：1 9 0 0 1 、1 9 0 0 2 、 1 9 0 0 3 、1 9 0 0 4 。其中1 9 0 0 1 阐述d s a 的定义和概念，包括频谱管理、c r 、政 策定义无线电、自适应无线电及软件无线电等相关领域，从技术上为关键概念提 供精确的定义和解释，并描述这些技术之间的相互关系以及新出现的功能； 8 北京邮i 【1 人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 9 0 0 2 为两个无线电系统带内和邻带干扰的共存分析提供操作规程，该规程的主 要目的是提高频谱利用效率；1 9 0 0 3 评估使用d s a 方法的无线电系统的频谱接 入行为，为软件无线电的软件模块提供一致性评估的操作规程建议；1 9 0 0 4 则通 过定义一种合适的系统结构和协议，改善多无线接入技术环境下的整体系统容量 和服务质量，范围包括网络资源管理、设备资源管理及不同系统结构问的信息交 互，该标准的第一阶段限制在功能和结构的定义上，相应的协议设计和信息交互 在下一阶段进行1 2 9 1 。 ( 8 ) i e e e 8 0 2 1 l y i e e e 8 0 2 1 l y 是8 0 2 1 1 协议族中基于竞争的协议，主要制定标准化的干扰避 免机制，同时方便今后新频段的应用。应用频段主要是2 0 0 5 年7 月f c c 向公众 应用丌放的原来用于卫星服务网络的3 6 5 3 7 g h z 频段，为该频段的宽带无线业 务分配提供补充和改善。 在国际学术研究方面，2 0 0 6 年6 月i e e e 认知网络技术委员会( t e c h n i c a l c o m m i t t e eo nc o g n i t i v en e t w o r k s ，t c c n ) 刈成立，针对d s a 自订沿技术的研讨会 d y s p a n 明年已经是第四届了。其中的大部分主题是关于c r 的。专门以无线认 知网络为主体的c r o w n c o m 国际会议已经举办了三届1 5 刀。另外，国际通信领域 最著名的学术期刊i e e ej o u n a lo fs e l e c t e da r e ai nc o m m u n i c a t i o n s 于2 0 0 8 年第l 期出版了关于“c o g n i t i v er a d i o ：t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n ”特刊，无 线频谱探测、访问、m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 设计1 3 l l 等许多关键问题都在 这个特刊中进行了讨论。 1 3 2 国内对认知无线电的研究 国内方面，2 0 0 8 国家自然科学基金委员会信息科学部根据通信领域发展需 求，在c r 领域设立了重点项目群3 2 j ，下设4 个具有内在的联系课题，构成了一 个有机系统。课题1 探索环境认知技术，旨在为认知网络提供环境信息和决策依 据。课题2 研究认知抗干扰技术，旨在研究c r 在通信抗于扰中的应用。课题3 探索认知协同技术，旨在应用于未来无线网络中的多跳合作体系。课题4 研究 c r 的各种频谱管理技术，旨在为频谱分配和多系统共存提供理论基础。课题4 探索c r 中的两个关键共性技术，而课题2 和课题3 研究c r 的潜在应用。 2 0 0 9 年国家自然基金委员会继续在重点领域对c r 技术的研究给予资助【3 3 l ， 包括基于c r 的工业无线网络设计理论与优化方法和无线频谱环境认知理论等。 国家“8 6 3 ”计划信息技术领域2 0 0 8 年设置的自组织网络与通信技术专题中【3 4 l ， 从探索导向类和目标导向类两个层面对c r 相关技术的课题研发提供了资助。探 9 北京| f | | j i u 人学硕l j 学位论文第一章绪论 索导向类课题主要针对认知网络的关键技术，包括 ( 1 ) 认知网络行为模型，包括网络流量、业务类型、路由、交换等网络行为 模型等； ( 2 ) 基于认知网络行为模型的资源分配； ( 3 ) 基于网络行为模型的认知路由与交换技术； ( 4 ) 基于网络行为模型的认知网络o o s 技术。 目标导向类课题则面向无线局域网与广域网融合，研究基于认知无线网络理 论的个域网和广域网融合关键技术，构建可重构的、具有认知能力的无线网络平 台及智能终端子系统，为认知无线网络标准化和产业化提供关键技术支撑。 另外“8 6 3 计划信息技术领域的重点项目，计划2 0 1 0 年底之前，投资4 0 0 万元 丌发“频谱资源共享无线通信系统”，突破频谱资源共享无线通信系统的关键技 术，研究与现有系统共存的宽带无线通信系统；进行频谱资源共享无线通信系统 的应用研究，并在6 9 8 8 0 6 m h z 频段进行演示验证；建立动念频谱共享系统的测 试评估体系和相应的测试方法，并进行系统级关键技术的测试评估。为无线通信 多系统的融合与创新发展奠定技术基础。该项目的目标与根据i e e e 8 0 2 2 2 标准 开发的w r a n 系统有殊途同归之处。其技术基础都是c r 与授权业务的共存性 研究，只是具体工作频段存在差异。 2 0 0 9 年1 月9 同，由国家自然基金委主办、北京邮电大学泛网无线教育部重 点实验室承办的国家自然科学基金委员会c r 领域信息科学部调控重点项目群启 动会，在北京邮电大学科技大厦召开。本次重点项目群是国家自然基金委在项目 群建设方面的第一个试点，旨在通过这种新的形式，加强项目之间的交流， 现在c r 领域更大的突破，使我国在本领域有更高的话语权。2 0 0 9 年1 月1 0 同，以北京邮电大学张平教授为首席科学家的9 7 3 计划项“认知无线网络基础理 论与关键技术研究启动会在北京邮电大学科技大厦四第五会议室举行。该项目 旨在推动我国在认知无线网络基础理论与关键技术领的研究，为我国在本领域的 研究提供新思想和新方案，努力使我国在认知无线网络领域的研究跻身国际一流 水平。 1 4 国内外对动态信道分配的研究现状 由于认知无线电网络中用，j 对带宽的需求、可用信道的数量、状况( s n r ) 和 位置都是随时变化的，灵活有效的频谱分配算法显得至关重要