（信息与通信工程专业论文）认知无线电网络中的动态信道分配技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信技术的发展和人们对无线频谱资源需求的日益增长，认知无线网络以其不 需要授权就可以使用频谱、频谱利用率高、使用方式灵活等独有特性越来越受到关注，成为 无线移动通信网络的一个重要发展方向。频谱分配方式决定了无线设备的频谱使用情况，对 认知无线网络的性能起着决定作用。针对认知无线网络频谱资源的时间、空间变化特性、防 止对授权用户产生干扰以及提高无线频谱的利用率，需要为其设计专门的频谱分配方式。采 用中心式结构动态信道分配算法可以大大提高频谱的利用率，降低系统开销，能够迅速的自 适应的动态调整从而满足在不断变化的无线频谱资源下的通信需求。同时，在中心式结构动 态信道分配算法的基础上联合功率控制，不仅可以减小对授权用户、认知用户的干扰，而且 能够进一步提高频谱的利用率和网络的性能。 本文在国家十五“8 6 3 ”高技术研究发展计划项目基于认知无线电的混合波形调制解 调技术研究课题的资助下，结合中心式结构动态信道分配的优点，对认知无线网络中的动 态信道分配技术进行了研究，提出了基于子信道划分的自适应动态信道分配算法以及联合功 率控制的自适应动态信道分配算法，有效的提高了频谱的利用率和网络的性能。同时，利用 跨层设计的思想，给出了基于p x a 2 5 5 的协议设计实现。 第一章介绍了认知无线电的背景、发展历程和优点，阐述了认知无线电的应用环境，在 分析认知无线电研究现状的同时，对国内外对动态信道分配算法的研究现状作了详细的介绍 和分析。 第二章分别对认知无线电系统模型和动态信道分配模型作了详细的分析。给出了认知无 线电的频谱共享模型，介绍了频谱分配技术的分类、原则、关键技术，并根据分类的不同， 描述了认知无线网络下的中心式结构动态信道分配模型和分布式结构动态信道分配模型，从 问题模型、效用函数、算法设计等方面进行了详细的阐述。同时介绍了当前存在的其他频谱 分配模型。 第三章则重点讨论了认知无线网络环境下的中心式结构动态信道分配算法。分析了频谱 分配的数学模型，并在比较讨论了现有的动态信道分配算法的基础上，提出了改进的基于子 信道划分的自适应动态信道分配算法和改进的联合功率控制的自适应动态信道频谱算法，分 析了算法的性能，给出了仿真结果，并从系统开销时间、系统总效用以及公平性对几种算法 进行了分析，比较。 第四章描述了认知无线网络中其他几层的联合设计实现。给出了物理层的帧结构设计、 m a c 层的帧结构设计以及协议设计，利用跨层设计的思想，阐述了传输层、m a c 层和物理 层之间的联合设计，同时给出了基于p x a 2 5 5 平台的系统设计原理、协议设计流程和实际测 试的结果。 关键字：认知无线电c o g n i t i v er a d i o ，中心式，动态信道分配，自适应，功率控制，跨层联 合设计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h e i n c r e a s i n g r e q u i r e m e n to fw i r e l e s ss p e c t r u mr e s o u r c e s ，c o g n i t i v er a d i on e t w o r k s h a v eg a i n e dal o to f a t t e n t i o nf o rt h e i ru n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g hs p e c t r u mu t i l i z a t i o na n df l e x i b l eo p e r a t i o n , a c c e s s i n gs p e c t r u mr e s o u r c e sl i c e n s e dt oo t h e rp r i m a r yn e t w o r k sw i t h o u ta u t h o r i z a t i o n c o g n i t i v e r a d i on e t w o r k sh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt r e n d so ft h ew i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s p e c i a ls p e c t r u ma l l o c a t i o na l t o r i t h ma r e e s s e n t i a lt oa d a p tt o t h et i m e - s p a c e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss p e c t r u mi nc o g n i t i v en e t w o r k s d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t o n a l g o r i t h mw i t hc e n t e r - b a s e dn e t w o r ks t r u c t u r ec a ng r e a t l yi m p r o v es p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，r e d u c e s y s t e m c o s to fs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，a n d d y n a m i c a l l ya d j u s tt om e e tt h e c o m m u n i c a t i o n r e q u i r e m e n t m o r e o v e r c o m b i n e dw i t hp o w e rc o n t r o l ，c e n t e r - b a s e dd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n c a nn o to n l yr e d u c ei n t e r f e r e n c et op r i m a r yu s e r sa n ds u b c r i b e ru s e r s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l yi m p r o v e s p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dn e t w o r kp e r f o r m a n c e u n d e rt h es u p p o r to fn a t i o n a lh i t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3 ) o fc h i n a , c o m b i n i n gw i t ht h ea d v a n t a g e so fc e n t e r - b a s e dd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ，t h et h e s i si sf o c u s e d o nd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o ni nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，a n ds u b - c h a n n e ls e tb a s e da d a p t i v e d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n dw i t hp o w e rc o n t r o l ，t h ea l g o r i t h mg r e a t l y i m p r o v e ss p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dn e t w o r kp e r f o r m a n c e f i r s t l y , t h eb a c k g r o u d ，d e v e l o p m e n ta n da d v a n t a g e so fc o g n i t i v er a d i oa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ti si l l u s t r a t e ds i m u l t a n e o u s l y t h er e s e a r c hs t a t u so fc o g n i t i v er a d i oa n d d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h ma l ed i s c u s s e di nd e t a i l a n dt h e n ，c u r r e n tr e s e a r c hm o d e l so fc o g n i t i v er a d i oa n dd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o na r e f u l l ys t u d i e d t h ec l a s s i f i c a t i o n , d e s i g np r i n c i p l ea n dk e yt e c h n i c so fs p e c t r u ma l l o c a t i o na r e i n t r o d u c e da st h ef o u n d a t i o no fd e s e r i b l i n gt h ec e n t e r - b a s e da n dd i s t r i b u t e dm o d e l so fd y n a m i c s p e c t r u ma l l o c a t i o n b ye s t a b l i s h i n gm a t h m a t i c sm o d e la n du t i l i t yf u n c t i o n ，t h ed e s i g np r i n c i p l ei s f u l l ya n a l y z e d a f t e rt h a l e m p h a s i si sp u to nc e n t e r - b a s e dd y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o ni nc o g n i t i v er a d i o n e t w o r k s a c c o r d i n gt ot h em a t h m a t i c sm o d e lo fs p e c t r u ma l l o c a t i o n , s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v e d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r ea n a l y z e dc o n t r a s t i v e l y a ni m p r o v e ds u b - c h a n n e ls e t b a s e da d a p t i v ed y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，o nt h eb a s eo fw h i c ha n o t h e r a l g o r i t h mw i t hp o w e rc o n t r o li sg i v e n t oe v a l u a t ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m s ，t h e s y s t e mc o s t , u t i l i z a t i o na n df a i m e s sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e db ym a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t , t h eu n i t e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo t h e rl a y e r si nc o g n i t i v en e t w o r k sa r e d e s c r i b e d a st h ed e s i g ns t r u c t u r e so fp h y s i c a lf r a m e ，m a cf r a m ea r eg i v e n ，t h r o u g hc r o s s - l a y e r d e s i g nm e t h o d , t h eu n i t e dd e s i g no ft r a n s p o r tl a y e r m a cl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e ri sc o m p l e t e d m o r e o v e r , t h ew h o l es y s t e md e s i g n i s i m p l e m e n t e do nx s c a l ep x a 2 5 5p r o c e s s o ra n dt h e p r a c t i c a lt e s t i n gr e s u l t sa r eg i v e n k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，c e n t e r - b a s 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 , a d a p t a t i o n ，p o w e r c o n t r o l ，c r o s s l a y e rd e s i g n n 浙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鎏盘堂或其他教育机 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 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有关保留、使用学位论文的规定， 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字e l 期：年月e l 签字日期：年月 日 浙江大学硕士学位论文 认知无线电网络中的动态信道分配技术研究 第一章背景 1 1 背景介绍 无线电频谱资源是一种宝贵的、有限的资源，主要由国家统一分配、授权使用。一个频 段一般只供给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。 这种静态的无线频谱管理方式，避免了不同无线通信系统间的相互干扰。但是，随着无线通 信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。人们通过采用先进的无线通信理论 和技术，如自适应技术、m i m o 等努力提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段，尤其 是信号传播特性比较好的低频段，其频谱的利用率极低。在一些地区实际测试时，发现在 3 g h z 以下的某些频段和3 g h z 5 g h z 之间的大部分频段的频谱利用率很低。图1 1 是对 b e r k e l e y 商业区的o - 6 g h z 频谱利用率的实际测试。测试结果表明，在全球授权频段，即便 是在信号传播特性较好、需求紧张的3 0 0 m h z 到3 g h z 频段内，频谱的利用率也不到6 ； 在3 g h z - - 4 g h z 频段，频谱利用率降低为0 5 ；在4 g h z 以上，频谱利用率更低。事实上我 们拥有丰富的频谱资源，只是由于管理和授权的原因导致了频谱资源的利用率低【2 】。因此 寻找一种更有效的频谱管理方式，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，提高频谱利用率成为十分关注的问题。 图1 1b e r k l e y 地区测试的频谱使用率 另外，现在的频谱共享技术，如工业、科学和医用( i s m ) 频谱开放接入、工作于3 - 1 0 g h z 频段的超宽带( u w b ) 系统与传统窄带系统共存等技术通常应用于固定频段的共享，或受 限于发送功率的短距离通信。这些技术在提高频谱利用率的同时却增加了干扰，限制了通信 系统的容量和灵活性。 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 作为一种更智能的频谱共享技术，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，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频 谱复用，这将大大降低频谱和带宽限制对无线技术发展的束缚。认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ， c r ) 被认为是解决无线频谱利用率低下问题的最佳方案。 浙江大学硕士学位论文 1 2 认知无线电的概念和特点 1 2 1 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c 鼬发展概况 认知无线电这个概念首先是j o s e p hm i t o l a 在软件定义无线电( s d r ) 的基础上提出的。 软件定义无线电最初应用于军事领域，1 9 9 2 年5 月j e o m i t o l a 博士在美国电信系统会议上首 次提出了“软件无线电”的概念 1 】，其目的就是希望建立开放式、标准化、模块化的通用 硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等都 用软件来完成，这样有很好的兼容性、可升级性和开放性。由于它与军方对无线电台的要求 十分吻合，能保证通信设备的通用性、兼容性和可升级性，所以美国军方对软件无线电技术 十分重视，并继续深入开始对多波段、多模式无线电台进行研究。最初由美国国防部高级研 究计划局( d a r p a ) 提出了s p e a k e a s y 计划【3 】。它覆盖的频段为2 m h z 2 g h z ，不仅要求能 实现常规的h f v h f u h f 电台。还能与跳频电台、卫星终端、1 1 号航空数据链、民用蜂窝 通信系统等进行语音、数据甚至进行图像通信。图1 2 是一个简单的软件无线电的发送机模 型。 外部系统接口数字信号处理 高速宽带 ( 语音、图平台( d s p 、可控射频前端 像、数据等) 兀屯a ) ) a d c d c 图i 2 软件无线电发送机模型 1 9 9 9 年m i t o l a 在他的博士论文中描述了一个认知无线电系统，通过无线知识描述语言 ( r k r l ) 来加强个人无线服务的灵活性，对认知无线电进行扩展，并给出了令人感兴趣的跨 学科的认知无线电的概念总结。 美国联邦通信委员会( f c c ) 2 0 0 2 年发布的频谱政策特别工作组( s p t f ) 报告，对频谱资源 的使用政策具有深远的影响，目的在于提高频谱管理方式。报告设定了认知无线电工作组， 并于2 0 0 3 年5 月在华盛顿成立，随后在2 0 0 4 年3 月在美国拉斯维加斯召开了一个认知无线 电的学术会议，标志着认知无线电技术正式起步。 2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 8 0 2 委员会成立了8 0 2 2 2 工作组，名为“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 ( w r a n ，无线区域网络) ”。该工作组的目的是使用认知无线电技术，将分配给电视 广播的v h f u h f 频带( 北美为5 4 m h z - - - 9 6 2 m h z ) f f j 频率用作宽带访问线路。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 层规格，数据通信速率为数m b p s 数十m b p s ，由于 电视转播所用的频率是比过去的无线l a n 更低的频带，因此基站设备可覆盖的范围很大， 半径超过4 0 k m 。如果此目标得以实现，总计3 0 0 m h z 4 0 0 m h z 的频带将可用于室外宽带 通信。 事实上，8 0 2 2 2 工作组中的无线区域工作组( w i r e l e s sr e g i o n a l a r e a n e t w o r k s ，w r a n ) 已经开始着手基于认知无线电的物理层、m a c 层和空中接口的研究开发。8 0 2 2 2 工作组的 主要任务是开发和建立一套基于认知无线电技术、在现有电视广播频段利用暂时空闲的频道 2 浙江大学硕士学位论文 进行无线通信的区域网空中接口标准。由于基于8 0 2 2 2 协议的无线区域网( w r a n ) 工作 在现有电视频段上，要求不能对正在广播的电视频段产生干扰，所以w r a n 采用了认知无 线电技术，对电视频段进行频谱感知，利用动态信道管理技术找到空闲频谱进行分配。 学术界也开始行动起来，一些著名通信理论专家，如s i m o nh a k i n 等纷纷发表关于认知 无线电的文章，开始了国际性的认知无线电技术研究。随后b e r k e l e y 、v i r g i n i a 、s t e v e n s 等 大学研究所和软件无线电论坛等研究组织纷纷展开研究。另外，美国国防部( d a r p a ) 的x g 计划将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态信道接入和共享。x g 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。i n t e l 、q u a l c o m m 、p h i l i p s 、n o k i a 等公司也开始着手进行认知无线电系统技术的研究。 认知无线电的目的在于提高频谱利用率。但这不仅是个技术问题，由于要从根本上改变 过去的无线资源分配状态，因此要想实现认知无线电，除技术开发之外，还必须有政府法规 上的支持。美国2 0 0 5 年5 月颁布建议制定通告( n p r m ) ，允许在不影响授权用户的前提下， 通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中的未授权的无线资源，放宽了认知无线实用 化的限制。 f c c 给出了一种认知无线电的定义【6 】：认知无线电可以在各频段感知非授权用户在授 权用户接收机处产生的干扰值。若在某频段，授权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，则非授权用户可以接入此频段，和授权用户同时使用这段频谱，否则，继 续寻找另外可用的频段。可见，f c c 提出的这种认知无线电技术，为了保证授权用户和非 授权用户同时正常工作，必须预先准确测得引入非授权用户后，将对授权用户带来的干扰值， 并准确估计系统可接受的干扰值。据此设定干扰门限，判断是否允许非授权用户的引入。 f c c 提出“干扰温度”的机制来控制和管理非授权用户对授权用户产生的干扰。“干 扰温度”用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户接收机产生的干扰功率。系统设定一 个保证授权用户正常运行的干扰温度门限，该门限由授权用户能够正常工作的最坏信噪比水 平决定。非授权用户被当作授权用户的干扰，一旦包括非授权用户信号在内的累计干扰超过 了干扰温度门限，授权用户系统就无法正常工作，反之，可以保护授权用户与非授权用户同 时正常工作。 “干扰温度”机制在应用时遇到很多问题【7 】，如非授权用户工作机会小，干扰温度值 检测困难，影响授权用户的服务质量等。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 的概念：认知无线电可以在各频段连续不断的检测是否有授权用户在发射信号，若检测到授 权用户信号，则认为授权用户存在，非授权用户暂时不使用该频段；反之，非授权用户可以 利用该频段传送信息。非授权用户在工作过程中，一旦发现授权用户开始这个频段，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信道资源管理方式，即授权用户拥有最高 的频谱使用优先级，若干具有相同低优先级的认知无线电用户可以与它分时段分享频谱资 源，提高资源的利用率。由于这种定义方法给出的认知无线电比较容易理解和实现，因此目 前国际上对认知无线电的研究大多基于此定义。 3 浙江大学硕士学位论文 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。 图1 3 认知无线电一认知循环 认知无线电系统感知学习循环的完整过程如图1 3 所示【9 】。外部环境提供激励，认知无 线电系统对这些激励进行处理和分析，从而提取有益于提高系统性能的相关信息，如可以通 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 分配给用户或是用户所需要提供的容量。有时候这需要必要的前后相关信息来推测通信的突 发性以及相关的内在通信任务。基于上述信息，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无线电用户，他们具有频谱使用的最高权 限，授权用户有时也称为主用户；与授权用户对应的称为认知用户( s u b s c r i b eu s e r , s o ) ，是 指不经过频率管理部门授权，就可以使用已授权于授权用户的频段的认知无线电用户。 认知无线电有多种不同的概念模型以及不同的体系结构，其中一种认知无线电网络层次 结构如下图所示： 4 浙江大学硕士学位论文 图1 4 一种认知无线电网络层次结构 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 e 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。 对于认知无线电的研究尚处于起步阶段，而该技术的主要功能还在讨论过程中。而一般 的讨论结果认为，认知无线电系统应该具有信号检测、分析决策学习和位置感知能力等能力。 ( 1 ) 频谱感知( f r e q u e n c ys e n s i n g ) ： 认知无线电能够感知、学习周围的无线资源环境，检测频谱空洞( f r e q u e n c yh o l e ) ，建 立无线信号的特征知识库，并利用这些结果，这就是频谱感知技术。频谱空洞是指被分配给 某授权用户，但是在特定的时间和空间位置该授权用户并未使用的频段。频谱感知技术主要 有两种类型：主动感知和被动感知。主动感知是指认知无线电终端利用射频前端，采集环境 中的信号，利用信号处理技术和自己的特征知识库，识别周围环境的无线电频谱使用状况； 被动感知是指由系统中的基站( b a s es t a t i o n , b s ) 来进行频谱分析，并广播目前的频谱使用状 态信息，从而使得该系统范围内的认知用户知道周围环境的无线电频谱使用状况。 频谱感知一般由物理层完成，物理层感知所有可用自由度( 时间、频率、空间) 的频谱， 以辨识当前可用于传输数据的信道。频谱感知必须具备快速发现授权用户的能力，网络中的 各认知用户之间相互交流频谱感知信息，确保在最短时间内将授权用户达到信息扩散到全网 中，从而将对授权用户的干扰减d , n 最低。 根据面对用户种类的不同，认知无线电频谱感知要求的灵敏度和感知速度也不同，因此 频谱感知的方法也不同。目前研究较多的方法有：匹配滤波器法、能量检测法和周期平稳过 程特征检测法等。 ( 2 ) 分析决策学习 分析决策包括对自身性能、网络内部状态、外部激励和决策的反馈信息等相关知识的分 析。c r 用户必须对各种检测结果、学习结果做出决策，目的是提高系统的性能，将对授权 用户和其他认知用户的干扰降低到最小，最后进行处理。机器学习是认知无线电中最为关键 的一步，指的是程序根据输入信号的变化改变它的结构、知识库和数据的过程，使得将来执 行的性能更优。设计可以从经验中学习的程序、算法，从而能够提高系统的性能。机器学习 5 浙江大学硕士学位论文 使得系统可以自我设计、自我调整，不会完全依赖于设计者的输入。使用机器学习的认知无 线电具有以下优点：可以对各种信号进行时域和频域的分类；在时域和频域上预测将来的信 号类型：确认新信号的存在与否；为新的信号建立模型和知识库；维护原有的知识库和信号 类型；根据获得的知识修改权重。 ( 3 ) 位置感知能力 地理环境的不同对无线电信号的传输产生很大的影响。认知无线电与辅助全球卫星导航 系统( a s s i s tg l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，a g n s s ) 结合，通过自我学习的方法，识别自 身所处的地理位置，从而能够根据地理环境选择合适的发送频率、调制编码方式以及功率等 参数。 1 2 3 认知无线电的应用 ( 1 ) 在军事通信中的应用 无线频谱资源稀缺的问题，在军事领域也极为突出，尤其在现代战争条件下，电子设备 在有限的区域内密集使用，使得频谱资源更加紧张。而且，随着民用无线电设备的更新和用 户数量的急剧增加，对频谱的需求也越来越多，有一些国家的组织已经申请将部分军用频谱 划归民用。这一动向更进一步加剧了军用无线电频谱资源短缺的问题。认知无线电能动态利 用频谱资源，可以使频谱利用率提高数倍甚至数十倍。 抗干扰能力是现代战争条件下衡量通信设备的一项重要指标。传统的信道抗干扰技术主 要包括扩频、跳频、跳时以及相关衍生的技术。认知无线电不但具有以上抗干扰能力，而且 可以利用频谱感知、位置感知等技术，与动态波束成形技术相结合，来抑制干扰，提高抗截 获能力，选择合适的抗干扰策略对干扰进行主动规避，提高电子对抗能力。 另外，目前我军各军兵种装备了数量众多、型号各异的无线电台，这些电台工作频率、 功率以及调制编码方式等各不相同，无法实现互联互通，已经成为制约军队联合作战的一个 重要因素。认知无线电能够覆盖很宽的频段，并且可以利用软件无线电的处理方法，通过加 载不同的软件来实现信号的产生、分析以及处理，从而实现无线电台之间的互联互通。 ( 2 ) 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 dh 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 之间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 dh o e 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、拥塞、时延等作为路由选择的依据已经不够充分，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 dh 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 e 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 dh o e 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。 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外对认知无线电的研究现状 自认知无线电的概念提出，认知无线电就受到全世界通信领域的关注，国内外各研究机 构进行了大量的研究和试验，一些研究成果也已经得到了公认，还有一些热点仍在研究中。 ( 1 ) 频谱共享( s p e c t r u mp o o l i n g ) s p e c t r u mp o o l i n g 这个概念最初是由j m i t o l a 博士在【4 】中提出，指在一定时间内拥有某 段频谱使用权的用户可以将频谱“出租”，而租赁者则要付出一定的代价。后来，此概念受 到德国k a r l s r u h e 大学f i e d r i c hj o n d r a l 教授的关注，他领导的研究组在德国联邦研究和技术 部移动通信项目的资助下，开展了频谱共享相关技术的研究。频谱共享的基本思想是将系统 可用的频谱合并成一个公共的频谱区，将整个频谱区划分为若干个子信道，根据各子信道上 授权用户( p l d 是否出现来决定子信道是否可用。 ( 2 ) c o r v u s 系统 c o r v u s 系统是由美国加州大学b e r k e l e y 分校r w b r o d e r s e n 教授领导的研究组提出 的【l2 】，全称是“ac o g n i t i v er a d i oa p p r o a c hf o ru s a g eo fv i s u a lu n l i c e n s e ds p e c t r u m ”。在 c o r v u s 系统中，认知用户被分成不同的组，组内的认知用户通信可以采用中心式的结构， 也可以采用分布式的结构，存在两种通信通道。一种是信令控制通道，用来协调新认知用户 入网以及完成相关的信道分配算法；另一种是组内认知用户通信信道，用于认知用户交流频 谱感知信息和数据通信等。c o r v u s 系统同时也给出物理层的频谱感知功能、信道估计以 及数据传输功能，链路层的组管理、链路管理以及m a c 接入控制。 ( 3 ) d i m s u m n e t d i m s u m n e t 是l u c e n tb e l l 实验室和s t e v e n s 理工学院( s t e v e n si n s t i t u eo ft e c h o n o l g y ) 研究人员提出的，全称是“d i m s u m n e t ：n e wd i r e c t i o n si nw i r e l e s sn e t w o r k i n g u s i n g c o o r d i n a t e dd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ”。d i m s u m n e t 系统通过频谱经纪入( s p e c t r u mb r o k e r ) 提供一种合作的、空间分集接入的方法，提出了协调接入频带( c o o r d i n a t e da c c e s sb a n d ) 和统 计复用接入( s t a t i s t i c a l l ym u l t i p l e x e da c c e s s ) 的概念，用来提高频谱接入的效率、公平性和频 谱的利用率。系统主要由四部分组成：基站，认知用户，频谱接入管理者和频谱经纪人。 ( 4 ) e 2 r 项目 e 2 r 是欧洲委员会第六框架项目( t h e6 t hf r a m e w o r kp r o g r a m m e ro ft h ee u r o p e a n c o m m i s s i o n ) 的一个综合性项目【1 3 】，全称是“e n dt oe n dr e e o n f i g u r a b i l i t y ”，是 d r i v e o v e r d r i v e 项目的扩展。端到端重配置( e 2 r ) 技术起源于软件无线电( s d r ) 技 术，利用s d r 终端和基站等可重配置实体为基础定义网络架构结合先进的资源管理机制 和灵活的空中接口实现技术，实现了对异构环境的灵活适应和对异构无线资源的有效利用。 e 2 r 技术研究中有3 个关键点，包括e 2 r 的体系结构、e 2 r 的资源管理和e 2 r 的空中接口 实现。 ( 5 ) d a l m d l x g 美国国防部高级研究计划署( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y , d a r p a ) 于 2 0 0 3 年成立了下一代通信计划( x g ) 【1 4 】，着眼于开发认知无线电的实际标准和动态信道管理 7 浙江大学硕士学位论文 标准，计划研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态信道接入和共享。 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。 ( 6 ) 8 0 2 2 2 工作组 美国电气电子工程师学会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 于2 0 0 4 年成立了8 0 2 2 2 工作组 5 】，8 0 2 2 2 无线局域网( w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k s ，w r a n ) i 作组的主要任务是为没有v h f u h f 频谱使用许可的设备制定基于认知无线电的p h y 和 m a c 层空中接口( a i ri n t e r f a c e ) 标准，以使这些设备能够工作于v h f u h f 频段而不对电视 广播业务产生干扰。8 0 2 2 2w r a n 的一个主要应用前景是为偏远地区提供无线宽带接入， 其服务质量与目前服务于城区和郊区的固定有线宽带接入技术相当。8 0 2 2 2 网络能够提供数 据、语音以及具备合适q o s 的音频和视频质量。8 0 2 2 2 目前的工作频带是北美的t v 频带 ( 5 4 - - 8 6 2 m h z ) ，同时，8 0 2 2 2 工作组正在努力将频带范围扩展到4 1 9 1 0 m h z ，以定义一个 符合世界各地区无线规格的国际标准。目前，已有美国、中国、日本、韩国等各个国家的多 家公司以单独或联合的方式向i e e e8 0 2 2 2 工作组提交了提案，其提案涉及物理层、介质 访问控制层等关键技术。 ( 7 ) 超宽带认知无线电( c o g n i t i v eu l t r a - w i d e b a n dr a d i o ) 超宽带无线电( u w b ) 技术产生于2 0 世纪6 0 年代 1 5 】，当时主要应用于脉冲雷达( i m p u l s e r a d a r ) ，美国军方大力发展并利用其进行安全通信中的精确定位和成像。根据f c c 的规定， u w b 信号一般是指相对带宽超过2 0 或者绝对带宽超过5 0 0 m h z 的信号。u w b 信号的产 生方式主要有两种：脉冲无线0 巳( i m p u l s er a d i o ) 和多频带正交频分复用( m b o f d m ) 调制。 u w b 技术具有几个重要的优点，如：支持精确的测距和定位；抗多径干扰；可获得很 高的通信容量：大频谱范围的低发射功率；具有多频分量，使无线电波穿透物体变得更容易 【1 6 。u w b 系统的超带宽、低功率、近似于噪声的信号特性，以及通过控制噪声干扰水准 从而与得到授权的窄带通信系统共存的特性，使得u w b 系统能够使用该授权频带。u w b 与认知无线电技术的结合具有特殊意义。u w b 系统可以利用认知无线电技术来实现与环境 中的窄带通信系统共存，减少相互间的干扰，而认知无线电可以利用u w b 设备具有的较宽 工作频谱、正交频分复用和频谱感知能力，来适应认知无线电的通用物理层功能和实现信道 之间的隔离保护。 1 3 2 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