（电路与系统专业论文）认知无线电频谱感知与接入技术研究.pdf

尹，；一。 呻， 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：耋之幺日期：2 1 z 丝：z ：翌 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一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：兰塑垒日期：丝丝：z ：丝 一、 哆向 导师签名： 到里查互： 日期：丝! ! ：玉。! j 心 ；，#f f一 j，r 认知无线电频谱 感知与接入技术研究 摘要 随着信息社会的快速发展，人们对无线通信业务的需求不断增长，而无线频 谱资源是不可再生的，其匮乏已经成为无线通信技术发展的严重障碍。实际上， 频谱资源的匮乏主要是由于现有的频谱分配制度导致的频谱利用率低下，为了解 决这个问题，认知无线电应运而生。认知无线电能够通过对它所工作的无线通信 环境进行交叉感知，从而改变自身的发送接收参数，在不影响授权频段正常通信 的基础上，动态的接入授权频段内，动态的重复使用可用频谱。认知无线电是一 门复杂的技术，研究内容包括了频谱感知、分析决策，动态频谱共享及频谱管理 及礼仪等各个方面。 频谱感知能力是认知无线电通信的一个重要前提，也是其核心功能之一。由 于授权网络没有义务改变结构与认知无线电网络共享频谱，因此认知无线电只能 独立的、可靠的，通过连续的频谱感知对授权用户进行探测。实现频谱共享是认 知无线电研究的目的，其中关键的技术在于动态的频谱接入。虽然目前这方面的 研究已经有很多，但是与实现高效的开放频谱运营的目标还相差很远，存在许多 难题。本文主要对认知无线电系统的频谱感知和频谱接入方面的问题进行了探 讨，提出了一个基于空间限定的认知无线电协作感知的简单模型和一个基于缓冲 队列的认知用户接入授权频段的改进模型，并验证了模型的性能。 本文首先综述了认知无线电的基本理论，包括国内外发展及标准化进程、定 义、主要功能和其中的关键技术，结合频谱利用情况阐明其应用前景。重点对频 谱感知和频谱共享接入技术进行了研究。在频谱感知部分，对认知无线电非协作 检测方法进行了介绍，验证了协作感知对比非协作感知的性能提升。在传统的协 作感知模型基础上，提出了基于空间分组限定的改进方案。 接下来，对动态频谱接入模型进行了详细探讨。在传统频谱池共享的模型基 础上，给出了更符合实际情况的扩展频谱池模型，分别分析了引入频谱转移机制 和未引入的性能参数。最后提出了一个认知用户基于缓冲队列的接入方案，通过 公式推导和仿真验证了其对认知系统性能的提高。 关键词：认知无线电，协作感知，动态频谱接入，缓冲队列 。： r t h er e a s e a r c ho fs p e c t r i7 ms e n s i n g a n da c c e s sf o rc o g n i t i 、厂er a d i on e t w o r k s a bs t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt 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 nd e m a n d s ，t h es c a r c i t yo fr a d i os p e c t r u mr e s o u r c e s h a sb e c o m ea no u t s t a n d i n gp r o b l e m c o g n i t i v er a d i o ( c r ) i sa ni n t e l l i g e n tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi sv i e w e da san o v e la p p r o a c hf o ri m p r o v i n gt h e u t i l i z a t i o no fr a d i os p e c t r u m t h ec o g n i t i v er a d i os y s t e mi sa w a r eo fi t se n v i r o n m e n t f o rc h a n g i n gi t st r a n s m i t t e rp a r a m e t e r s ，a n di tm a k e sc o g n i t i v eu s e rd y n a m i c a l l y a c c e s st h el i c e n s e d s p e c t r u m sw i t h o u tn e g a t i v ee f f e c tt ol i c e n s e db a n d s t h e t e c h n o l o g yc o n t a i n ss p e c t r u ms e n s i n g ，d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sa n dm a n a g e m e n t ， s p e c t r u me t i q u e t t ea n ds oo n t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so ns p e c t r u ms e n s i n ga n dd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s so f c o g n i t i v er a d i os y s t e m t h i st h e s i sr e v i e w st h er e c e n tr e s e a r c hp r o c e s so fc o g n i t i v e r a d i o ，g i v e sa l li n t r o d u c t i o no fd e f i n i t i o n sa n dk e yf u n c t i o n so fc o g n i t i v er a d i os y s t e m t h e nt h et h e s i ss u m m a r i z e st h ek e yt e c h n o l o g yi nc o g n i t i v er a d i o ，i n c l u d i n gs p e c t r u m s e n s i n g ，s p e c t r u ms h a r i n ga n da c c e s sa n dt r a n s m i t - p o w e rc o n t r 0 1 r e g a r d i n g t h e s p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g y , e m p h a s i so nt h e t h e s i si s c o o p e r a t i v es e n s i n gt e c h n o l o g y t h et h e s i si n t r o d u c e st h em a i n l yk i n d so fn o n c o o p e r a t i v ed e t e c t i o nm e t h o d s ，a n dg i v e st h er e a s o n sf o ru s m gc o o p e r a t i v es e n s i n g s c h e m e t h e ni tp r o v e st h ei m p r o v e dp e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v ed e t e c t i o nt h o u g ha s i m p l em o d e lw i t ht w oc o g n i t i v eu s e r s n e x t ，t h et h e s i sp r o p o s e sam o d e lw i t h s p a c e - q u a l i f i e db a s e do nt r a d i t i o n a lm o d e lo fc o o p e r a t i v es e n s i n g i nt h ep a r to fd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ，t h e s i sg i v e st h ei n t r o d u c t i o no f d y n a m i c s p e c t r u ma c c e s sm o d e l i tp r o p o s e st h em o r eg e n e r a lm o d e lo fc o g n i t i v eu s e r st o a c c e s st h el i c e n s e db a n d sb a s e do nt r a d i t i o n a ls p e c t r u mp o o lm o d e l ，a n da n a l y z e st h e g e n e r a lm o d e lw i t ha n dw i t h o u tc o n t r o l l i n gc h a n n e la s s i g n m e n t f i n a l l y , t h et h e s i s p r o p o s e sa na c c e s ss c h e m ew i t hab u f f e rq u e u ef o rc o g n i t i v er a d i os y s t e m t h e e x p r e s s i o n sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a ni m p r o v et h e i i p e r f o r m a n c eo fc o g n i t i v er a d i os y s t e m k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，c o o p e r a t i v es e n s i n g ，d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ， b u f f e rq u e u e i i i 一：一 ， ，： ，j 目录 摘要i a 】3 s t r a c t i i 第一章 1 1 1 2 1 4 第二章 2 1 2 2 1 者论1 课题研究背景1 认知无线电研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 2 3 认知无线电标准化进程4 课题研究动机和意义。5 1 3 1 认知无线电的优势。5 1 3 2 认知无线电的应用前景。5 本文主要研究内容和结构安排7 认知无线电的概念及关键技术8 认知无线电简介8 2 1 1 认知无线电的定义8 2 1 2 认知无线电的功能。9 认知无线电关键技术1 0 2 2 1 频谱感知1 0 2 2 2 频谱共享和接入13 2 2 3 功率控制。1 4 2 3 本章小结1 5 第三章频谱感知16 3 1 非协作感知16 3 1 1 非协作感知检测模型1 6 3 1 2 匹配滤波器检测1 7 3 1 3 能量检测l8 3 1 4 循环平稳检测1 9 3 2 协作频谱感知2 0 3 2 1 协作感知的必要性2 0 3 2 2 简单中继协作感知模型。2 2 3 3 分布式协作感知模型2 5 3 3 1 原始模型2 5 3 3 2 改进模型2 6 3 4 本章小结。3 0 第四章动态频谱接入3l 4 1 动态频谱接入模型3l 4 2 频谱池共享模型3 2 4 2 1 授权用户与认知用户状态模型3 2 4 2 2 授权频段频谱池利用模型3 3 i v 4 3 扩展的频谱池模型3 6 4 3 1 扩展的共享频带模型3 6 4 3 2 未引入频谱转移的认知无线电系统3 7 4 3 3 引入频谱转移的认知无线电系统4 0 4 4 拥有缓冲队列的认知无线电系统4 1 4 4 1 缓冲队列模型4 l 4 4 2 性能评估4 3 4 5 本章小结4 4 第五章结论4 6 5 1 全文总结4 6 5 2 下一步研究方向4 7 参考文献4 8 j 目【谢5 2 攻读硕士学位发表论文和参加科研情况。5 3 发表的论文错误l 未定义书签。 v 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着无线通信业务的不断拓展，通信系统对无线频谱资源的需求不断增加， 导致频谱资源的越来越匮乏。2 0 0 2 年1 1 月，美国联邦通信委员会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 ) 发布了一项由s p e c t r u m p o l i c yt a s kf o r c e 提交的旨 在有效管理美国频谱资源的报告。该报告明确指出：“在许多频段，频谱的准入 是一个比频谱本身稀缺功能更加重要的问题，很大程度上是由于法规限制了这些 频谱上的潜在用户获得准h i l 】。 从这些研究结果可以看出，频谱资源匮乏多是由于现有的频谱管理与分配策 略所造成的频谱利用率低下。现有的频谱管理与分配策略大多是基于静态控制的 模型，即频谱管理机构将可用频谱资源划分成固定、非重叠的频谱块，并通过保 护频带进行分割，将这些分割的频谱块以独占的方式分配给不同的服务和技术， 分配到这些频段的用户被称为授权用户。例如：移动通信运营商、广播电视、军 事和公共安全部门等。这种静态控制的分配方式，频谱管理简单，但频谱利用率 却相当低下，根据f c c ( f e x l c r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 发布的美国频谱 资源使用情况报告可以看出在3 g h z 以下，己分配频谱的利用率随时间和地理位 置的变化从1 5 到8 5 2 1 ，大量授权频段经常空闲，如图1 1 所示。此外，工 业、科学及医药频段( i s m ，i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 推行开放式频谱利用 策略，带来了多种重要的新兴技术与技术革新，但由于多种异构网络之间的干扰， 使得i s m 频段的频谱效率也不高。 冒 由 电 楚 馨 凝率( m h z ) 图l - 1 频谱利用率图【2 】 为了解决上述频谱利用率低下的问题，近年来，认知无线电( c r ，c o g n i t i v e r a d i o ) 这种新的频谱使用模式正逐渐受到人们的关注。认知无线电技术的基本思 想是：在不影响授权频段的正常通信的基础上，具有认知功能的无线通信设备可 以按照某种“机会方式( o p p o r t u n i s t i cw a y ) ” 3 】接入授权频段内，并动态的利用 频谱。这种在空间，时间和频段中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空 穴( s p e c t r u mh o l e s ) 4 】”，其概念如图1 2 所示。认知无线电的核心思想就是无 线通信设备发现并合理利用“频谱空穴”。 。翱谱空穴。 图l - 2 频谱空穴的概念 1 2 认知无线电研究现状 1 2 1 国外研究现状 从2 0 0 0 年j o s e p hm i t o l ai i i 博士提出了认知无线电的概念【5 ，短短几年，认 知无线电技术受到了许多工业组织，大学，研究中心，企业的支持和推进，显示 出了强大的生命力。许多著名研究机构和大学的研究中心都开始了对认知无线电 理论、实现方式和实际应用的研究；各标准化的组织和行业联盟也纷纷开展相关 的研究，并且开始着手制定认知无线电的标准和协议。 认知无线电技术的实现需要频谱管理政策的支持，一些频谱政策管制部门， 如美国联邦通信委员会( f c c ) 、英国通信办公室( o f c o m ) 对该技术给予了积极的支 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11 月，f c c 提出新的量化和管理干扰的指标值干扰温度的概念；2 0 0 3 年1 2 月，f c c 公布了使用认知无线电技术促进频谱利用的通知，就( f c c 规则 第1 5 章( f c cr u l ep a r t1 5 ) 进行了修订，正式成立了认知无线电工作组；2 0 0 4 年5 月f c c 建议认知无线电可在t v 广播频段内操作。2 0 0 5 年1 0 月，正式批准了关 于引入认知无线电技术、使用认知无线电设备的法规 6 】6 。 2 l 目 $ 一 1 i 国外的一些大学和研究机构也积极投入了认知无线电技术的研究，一些研究 成果已经得到了公认，其他较有价值的研究方向也在不断进行当中，下面是一些 主要的研究机构及研究成果： ( 1 ) 下一代( x g ) 计划是美国国防高级研究计划局为开展如何更有效的利 用频谱资源启动的研究，主要致力于开发允许多用户共享使用频率的技术。其中， 实现灵活的频谱分配是x g 计划的主要目标之一，如何检测并描述无线电环境， 辨认可用频谱以及合理分配频谱构成了整个x g 计划频谱共享研究的核心 7 】。 ( 2 ) 美 虱g e o r g i a 理工学院宽带和无线网络实验室i f a k y i l d i z 等教授提出 了o c r a 网络 8 】，这是一种基于o f d m ( 正交频分复用，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的认知无线电网络，考虑了不同的认知无线电网路环境 下所有可能的网络部署情况。 ( 3 ) 美国加州大学伯克利分校的r w b r o d w e s e n 教授的研究组开发的 c o r v u s 系统，使用虚拟的空闲授权频谱来研究，并建立了伯克利仿真平台【9 】。 ( 4 ) 端到端可重配置( e n d t o e n dr e c o n f i g u r a b i l i t y ，e 2 r ) 是欧洲委员会第 六框架项目的一个综合性项目。e 2 r 系统可为多种空中接口、协议和应用提供通 用的平台和相关的工作环境，通过基于认知算法的可升级和可重配置的架构来优 化资源利用；同时可重配置性可以灵活地修改相关设备的软件设置，提高网络和 设备的性能 1 0 】。 ( 5 ) 德国k a r l s r u h e 大学的f k j o n d r a l 教授等在文献 1 l 】 1 2 】中提出了频谱池 基本思想，频谱共享池将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱 池，并将整个频谱池划分为若干个子信道，因此信道是频谱分配的基本单位。基 于频谱共享池策略的动态频谱分配实质上是一个受限的信道分配问题，以最大化 信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。 除此之外，国外还有许多其他大学和研究机构在进行认知无线电相关研究， 如：维吉尼亚工学院的无线通信技术中心主要关注基于遗传算法的认知模型研究 和认知无线电节点引擎试验床的研发；美国新泽西 ) h r u t g e r s 大学的w i n l a b 研 究中心主要研究的是认知无线电算法和无线频谱的开放使用。 1 2 2 国内研究现状 与国外相比，中国的认知无线电研究起步较晚，但是受到了高度的重视，相 继有众多高校开始进行这方面的研究。国家9 7 3 基础研究计划、国家高技术研究 发展计划( 8 6 3 计划) 和国家自然科学基金于2 0 0 5 年7 月都开始资助或设立课题研 究认知无线电技术，对认知无线电物理层和媒质接入控制( m a c ) 层关键技术、协 议体系结构、应用场景分析等方面做了具体深入的研究。 2 0 0 8 年信息科学部根据通信领域发展需求，也在认知无线电领域设立重点项 目群。0 8 年5 月在北京邮电大学举行的中欧认知无线电系统工作会议肯定了中国 在认知无线电技术方面的研究成果。 2 0 0 9 年1 月9 日，由国家自然基金委主办、北京邮电大学泛网无线通信教育部 重点实验室承办的国家自然科学基金委员会认知无线电领域重点项目群启动会 召开，旨在通过这种新的形式，加强项目之间的交流，是现在认知无线电领域的 大突破，推动我国在c r 领域的发展。 2 0 0 9 年1 月l o 日，国家9 7 3 计划项目“认知无线网络基础理论与关键技术研 究”在北京邮电大学召开启动会。该项目旨在推动我国在认知无线网络基础理论 和关键技术领域的研究，提供新思想、新方案，努力使我国跻身认知无线网络研 究国际先进水平。 1 2 3 认知无线电标准化进程 在频谱管制部门的带动下，一些标准化组织制订了一系列标准推动认知无线 电技术的发展。2 0 0 4 年1 0 月，i e e e8 0 2 委员会成立了8 0 2 2 2 - y 作组 1 3 】，这是第 一个世界范围的基于认知无线电技术的空中标准化组织。i e e e8 0 2 2 2 也被称为 w l a n ( 无线区域网络，w i r e l e s sr e g i o n a la r e a n e t w o r k ) ，工作于现存广播电 视服务所在的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。w ra n 能够 实现基于包的传输，因此支持个人家庭住户、小型工作或家庭场所等的一系列通 信服务。i e e e8 0 2 2 2 是把认知无线电技术由概念变成现实的首个标准，目前所 做的工作在许多方面都是基础性的，对认知无线电技术的演进和发展具有重要意 义。 为了解决w i m a x 发展的频谱匾乏问题，i e e e 专门成立了解决w i m a x ( 宽带 固定无线技术，w o r l d w i d ei i l t e r o p e r a b i l 时f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 网络与其他网 络共存问题的i e e e 8 0 2 1 6 h t 作组【1 4 】，致力于改进诸如增强的媒体接入控制等机 制，以确保基于i e e e 8 0 2 1 6 的免许可证系统之间的共存，以及与有主用户系统之 间的共存。 i e e e8 0 2 1 1 工作组致力于研究7 0 0 m h z 和w i f i 网络的频谱动态分配问题。 其中8 0 2 1l y 是8 0 2 1 1 协议族中基于竞争的协议，主要制定标准化的避免干扰机制 【1 5 。 i e e e8 0 2 2 2 和i e e e8 0 2 1 6 h 都是认知无线电的简单应用。为进一步提高频 谱利用率，解决目前频谱资源紧张问题，i e e e 于2 0 0 5 年成立了针对于动态频谱 接入和认知无线电技术的i e e e19 0 0 标准组【l6 】，进行与下一代无线通信系统和 高级频谱管理技术的相关电磁兼容研究。该工作组对于认知无线电技术的发展与 4 其他无线通信系统的共存有着极其重要的意义。2 0 0 7 年3 月2 2 日，i e e e1 9 0 0 标准 组改组为i e e es c c4 1 ，目前包括4 个工作组。i e e e1 9 0 0 1 - 1 7 作组的任务是解释和 定义有关下一代无线电系统和频谱管理的术语和概念，提供对技术的准确定义和 对关键技术的解释，如频谱管理、政策定义无线电、自适应无线电及软件无线电 等相关领域。i e e e1 9 0 0 2 工作组主要为无线电系统频带内和临带干扰的共存分 析提供操作规程建议，为分析各种无线服务的共存和干扰提供指导方针，主要目 的是提高频谱利用率。i e e e1 9 0 0 3 i 作组主要评估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。i e e e1 9 0 0 4 t 作组 主要任务为动态频谱接入的无线系统提供实际应用、可靠性验证和评估可调整性 能。 1 3 课题研究动机和意义 1 3 1 认知无线电的优势 认知无线电技术被称为未来无线通信领域的“下一个大事件( n e x tb i g 而i n 曲”，具有许多独特的技术优势。 首先，认知无线电设备能够自动的检测周围的无线通信环境，智能的调整系 统的各种参数以适应周围环境的变化。在不对授权用户造成有害干扰的前提下， 在时域，频域及空间等多维空间内利用空闲的频谱进行通信，大大的提高了频谱 资源的利用率，缓解频谱资源紧张的现状。与此同时，也减轻了频谱管理部门的 负担，使其可以采用相对灵活的频谱管理形式。 对频谱持有者来说，认知无线电技术使其可以开发频谱二级市场，在相同的 频段上面开发不同的服务。除此之外，还可以向第三方出租未使用的频谱，展开 新的商业模式获得利益。而第三方频谱租用者也可以通过转租或者提供运营服务 获得利益。认知无线电技术使多赢模式的频谱贸易成为可能。 从用户的角度来看，认知无线电技术最大的优点是服务质量的提高。面对不 同用户的不同需求，服务提供商可以提供各种不同偏向的服务质量，例如不同的 数据速率、时延、花销等等。此外，认知无线电技术还能提高无线服务的易接入 性和可靠性。认知设备可以自主的重新配置硬件平台和自适应人之协议栈，为用 户提供可靠方便的网络接入服务。 1 3 2 认知无线电的应用前景 认知无线电技术能够提高频谱利用率，有效的控制和管理频谱干扰，因而可 以应用在现有的频谱共享系统中，解决频谱共享所造成的相互干扰的问题。 本课题筹备初期曾对频谱环境进行调研，现有的频谱管理与分配策略是基于 静态控制的模型，频谱管理机构将有限的频谱资源分割为固定、非重叠的频谱块 以独占的方式分配给不同的服务和技术。我国目前为宽带无线接入应用划分了4 个频段，分别是2 4 g h z 、3 5 g h z 、5 8 g h z 、2 6 g h z 。其中2 4 g h z 频段是免牌照的， 发展情况比较好；其他几个频段由于自身技术，市场等各方面的问题，发展相对 来说比较缓慢。 2 4 g h z 频段是全球通用的免授权i s m 频段，基于i e e e8 0 2 1 l b g 的无线局域网 设备工作在这个频段上，在不干扰其他系统的情况下不用申请频率即可使用。该 频段的频率范围为2 4 0 0 m h z 一- - 2 4 8 3 5 m h z ，要求采用时分双工的t d d 模式，最大辐 射功率不得超过l o o m w 。然而在此频段中，聚集了蓝牙、无线u s b 、无绳电话及其 他一些工业设备，甚至微波炉的干扰。如果无线局域网具有认知功能，那就可以 通过接入点对频谱的连续的扫描识别出可能的干扰信号，并结合对周围信道通信 状况的认知，自适应地选择最佳的通信信道 此外，具有认知功能的接入点，在进行正常通信业务的同时，可以通过认知 模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，快速发现非法的恶意攻击终 端，这样可以增强通信网络的安全性。其实认知无线电的思想已经在无线通信的 许多领域得到了应用。如基于e e e8 0 2 1 l a 的5 g h z 频段就采用了动态频率选择和 发送功率控制机制，避免雷达信号的干扰。 由于目前有线电视被广泛使用，无线广播电视频段的频谱利用率非常低，且 电视频段的电波传输距离远、易于穿透墙壁，f c c 在2 0 0 4 年5 月发布了建议制定规 则通告，允许未授权用户在不影响授权用户业务的前提下，通过基于认知无线电 的技术使用电视广播频段中的空闲频谱。同年1 1 月，第一个基于认知无线电的无 线标准i e e e8 0 2 2 2 无线区域网( w r a n ，w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ) 工 作组成立，目的在于解决运营在广播电视频段的认知无线广域接入网络技术 6 。 不难看出，实现闲置广播电视信道利用的首要任务是原始授权用户检测，这也是 本文所要讨论的重点内容之一。 此外，认知无线电技术在超宽带通信中也具有非常大的应用前景。u w b 的 超宽带特性会对共享频段内的其它窄带系统产生千扰，并且自身也易受到其它系 统的干扰。将认知无线电技术和u w b 相结合，是解决上述问题的一种新思路。 可以利用认知无线电的频谱检测技术和动态频谱共享技术自适应地构建u w b 系 统的频谱结构，并生成相应的频谱灵活的自适应脉冲波形，这样能有效抑制各种 干扰，提高频谱利用的灵活性。 农村地区人口密度较低，现有无线因特网服务提供商( w i s p ) 、无线局域网 6 ( w e a n ) 等在目前的无线法规规定的功率限制下，不能提供充分的信号覆盖 1 7 】。 农村地区的频谱资源并没有被高效利用，因此在不对法定业务造成干扰的情况 下，采用认知无线电技术在农村地区提高这些业务的传输功率是可行的。但是， 认知无线电的应用和市场并不仅限于农村和偏远地区，个人家庭住户、多聚居单 元、小商业用户、多用途写字楼，以及工作场所和校园都是认知无线电的市场用 户。 f c c 已经分步采取了措施，允许和促进频谱用户通过签订由市场驱动的频谱 租赁协议接入需要使用许可的频段【1 7 】。目前在许多无线电业务中，频段使用权 拥有者可以自由地与想接入该频段的频谱用户达成自愿协议。此时，认知无线电 能够在技术方面使双方更加容易达成协议。这间接的促进了频谱第二市场的形 成。 1 4 本文主要研究内容和结构安排 本文关注的是频谱感知和动态频谱共享这两个认知无线电关键技术，主要研 究内容是认知无线电协作感知和认知用户接入授权频段的改进模型。 各章节安排如下： 第一章：绪论。主要对课题的研究背景，认知无线电技术的国内外研究现状 以及标准化进程进行了总结，介绍了课题的意义。结合课题开展初期的频谱利用 情况调研分析了认知无线电的应用前景，阐明本文的主要研究内容。 第二章：认知无线电的概念及关键技术。阐明了认知无线电的定义及其必备 的主要功能。主要介绍了认知无线电系统的三个关键技术：频谱感知、频谱共享 和功率控制。 第三章：频谱感知。具体介绍认知无线电频谱感知的检测法则。首先介绍了 非协作感知的几种典型检测方法，说明了在频谱感知中引入协作的必要性。之后 列举一个最简单的协作感知模型证明协作感知带来的检测性能提升。最后提出一 个基于空间分组写作的协作频谱感知模型。 第四章：动态频谱接入。动态频谱接入是实现频谱共享的关键技术，本章首 先介绍了三种动态接入策略模型，之后重点介绍基于分层策略的频谱池模型。用 m a r k o v 链分别模拟了认知用户在未引入和引入频谱转移机制接入授权频段的一 般模型，并推导一些性能参数。最后提出一个优化认知网络性能的缓冲队列方案。 7 第二章认知无线电的概念及关键技术 2 1 认知无线电简介 2 1 1 认知无线电的定义 认知无线电的概念最早是由j o s e p hm i t o l ai i i 博士通过对软件定义无线电 ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 概念的延伸提出的 1 8 】。他认为认知无线电是s d r 的智能化可以感知周围的通信环境，通过对周围变化的环境的学习，自适应的调 整内部通信来适应所处的通信环境，提高频谱利用率和通信的稳定性；可以通过 无线电知识表示语言( r k r l ) ，基于模式的推理方式与网络进行智能的交流。 m i t o l a 在他的博士论文中定义认知无线电为“一种采用基于模式的推理达到特定 无线相关要求的无线电【5 】”。此后有许多机构和个人从不同角度给出认知无线电 的定义，其中比较有代表性的是f c c 和s i m o nh a y k i n 等个人或者组织对认知无 线电给出的定义。 2 0 0 3 年，美国联邦通信委员会f c c 从无线网络的工业实现角度给出了认知无 线电的定义。f c c 认为，认知无线电是一种能通过与操作环境进行交互而改变传 输参数的无线电 1 9 】，建议任何具有自适应频谱意识的无线电都是认知无线电。 s i m o nh a y k i n 教授的从数字信号处理、网络、人工智能和计算机软硬件实现 等角度出发定义了认知无线电：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( 比 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，以达到任何时间任何地点的高度可靠通信以及对频谱资源的有效利 用 4 】。”并且给出了一个基本的认知循环，如图2 1 所示。 无线电环境提供射频信号激励，认知无线电设备对这些激励进行分析和处 理，提取相关的有用信息，得到干扰温度，噪声，频谱空穴信息，信道容量等参 数。基于频谱分析的结果，认知无线电的发射端进行频谱资源的规划管理与分配， 选择合适的传输模式、传输带宽及合适的频率及发射功率，进行通信。经过追踪 无线电环境的变化，不断的学习调整通信系统状态达到最优性能。 8 发射端 图2 - 1s i m o nh a y l d n 的认知循环 接收端 励 2 1 2 认知无线电的功能 虽然不同的机构和个人给出的认知无线电定义在角度和侧重点上有所差别， 但是都肯定了认知无线电的两个主要特点：认知能力和重配置能力。 认知能力指的是无线电设备从周围无线环境中获得感知信息的能力。认知无 线电的认知能力体现在与周围无线电环境的实时交互上，通过捕捉无线环境中时 空的变化，避免对其他用户产生干扰。有了这种能力，可以识别时域、频域和空 间内的频谱空洞，之后经过分析决策可以选择合适的频谱和操作参数进行通信。 重配置能力指的是在传输过程中不改变硬件环境的条件下调整操作参数使 之适应周围环境的能力。认知无线电的重置能力使其设备可以根据频谱的特征动 态的配置硬件软件，使之可以随时转移频段，使用合适的传输协议参数和调制机 制。有了这种能力，认知无线电可以在多种频谱上进行发射和接受，使用由硬件 支持的不同的传输接送技术。 要实现上述两种能力，认知无线电必须具备以下主要功能： ( 1 ) 频谱检测 与认知用户( c r ，c o g n i t i v er a d i ou s e r ) 相比，授权用户( p u ，p r i m a r yu s e r ) 显然拥有更高的频谱接入优先权。为了不对授权用户造成有害的干扰，认知用户 必须具备独立感知空闲频谱和主用户出现的能力。这都要求认知无线电必须具备 9 精确的无线频谱检测能力，在时域、频域和空间范围的多维格局下对全频段范围 进行频谱检测，快速发现授权用户的出现，并且在通信的过程实时连续侦听频谱 的动态，以便能及时的为授权用户让出频段，确保不对其产生干扰。 ( 2 ) 频谱分析 频谱分析包括对自身性能，网络内部状态、外部频谱使用策略和政策法规以 及用户的通信需求等相关信息的分析。认知无线电设备根据上一个环节频谱检测 获取的相关信息，分析授权用户的位置、使用的频点和发射时间，进而确定认知 用户的可用频段的位置、可用带宽、信道状态等信息，以及认知无线电设备自身 传输可能会对网络中其他用户所产生的影响。 ( 3 ) 频谱调整 认知用户的调整能力是完成传输的关键。根据检测和分析的相关结果，认知 无线电设备通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的 频点和发射时机，从而成功地完成传输。这要求认知无线电设备具备较强的性能， 能够在较宽的频段内实现不同传输方案之间的切换，并且在突发事件发生后能够 及时暂停或恢复传输，确保在不干扰授权用户的情况下获取最大限度的传输能 力。自适应频谱参数调整需要建立在频谱分析、决策、共享和移动等频谱资源管 理技术，以及硬件平台的重配置技术之上。这些技术联合起来，使得认知无线电 设备能够适应无线环境的动态变化。 ( 4 ) 推理和学习 认知无线电系统对无线环境的检测、对环境变化的适应、系统功能模块的可 重构性等都是自主的，不需要人工的参与和处理。这要求认知用户具有智能的推 理和学习能力。有了足够的人工智能，认知无线电系统就能通过对过去的经验的 学习而对当前的情况进行实时的响应。根据频带的可用性、位置信息和过去的经 验，认知用户设备可以自主确定采用哪个频带。 由于当前无线频谱环境的复杂性，如何利用无线环境的相关数据进行分析预 测是一个非常重要的课题。根据历史数据进行推理，获得一定的参考信息，在此 基础上进行调整是一个比较好的解决方案。 2 2 认知无线电关键技术 2 2 1 频谱感知 认知无线电通信的一个重要前提就是频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) 能力。 由于授权主用户( p r i m a r yu s e r ) 网络没有义务改变它的结构来与认知无线电网 络共享频谱，因此，认知无线电只能独立的、可靠的、通过连续的频谱感知对法 1 0 定用户进行探测。这是认知无线电的一项核心功能，是认知无线电系统的基本功 能，是实现频谱管理，频谱共享的前提。 早期的感知方法有采用导频信号和周期平稳过程特征感知等，但性能不理 想。目前的仿真和分析表明，采用合作分集的感知方式可以达到可靠感知概率的 要求 2 0 】。协作感知允许多个认知用户之间相互交换各自感知到的信息，这可显 著提高频谱的感知能力。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。考虑到实际网络