（信号与信息处理专业论文）认知无线电频谱共享技术的研究.pdf

南京邮电大学博士研究生学位论文摘要 摘要 随着无线通信中不同网络、不同业务和不同接入方式的不断增长，频谱资源 越来越紧缺。如何进一步提高频谱利用率，从而进一步提高系统容量和通信服务 质量是下一代无线通信亟待解决的问题。认知无线电c r ( c o g n i t i v er a d i o ) 频谱 共享技术的研究是一个崭新的课题，在新一代无线通信网络中具有非常广阔的应 用前景。 传统的固定频谱分配导致了注册用户( 即主用户p u s ，p r i m a r yu s e r s ) 频谱 利用率低，产生了大量的频谱空穴，造成了频谱资源的浪费：考虑在不同网络结 构和用户分布情况下，结合信道分配、功率控制、干扰避免和机会调度等方法， 认知无线电频谱共享技术研究的主要目的在于通过感知主用户的存在，提出自适 应的策略，充分利用空闲频谱而不干扰主用户，从而极大的提高频谱利用率。因 此本文首先提出基于循环平稳谱估计和支持向量机的频谱感知方案，在感知的基 础上，紧紧围绕着频谱共享技术展开讨论，从合作博弈、非合作博弈的不同角度 提出了频谱分配和共享的新算法和新策略，最后着重考虑主用户的随机到达导致 频谱空穴的时变特性，提出了机会频谱调度新算法 本文主要包含以下内容： 第一，研究了认知无线电频谱共享技术的现状和发展情况。深入研究了频谱 共享技术中的关键技术，重点分析了实现频谱共享技术中的频谱感知、频谱分配 和机会频谱调度等技术的技术难点、理论基础和国内外研究进展。 第二，研究了基于循环平稳谱估计和支持向量机的频谱感知实现方案。根据 主用户信号内在的周期性并考虑支持向量机s v m 可以克服神经网络结构复杂且 容易陷入局部极小等固有的缺陷，本文提出利用谱分析s c f 提取感知信号的循环 平稳特征，通过有效的数据处理输入到支持向量机s v m 进行特征分类，从而获 取频谱使用状况和主用户分布等参数，实现实时可靠的频谱感知，为频谱共享打 下基础。仿真表明，该方案具有较高的主用户识别率，有效的数据处理也减小了 计算量。 南京邮电大学博士研究生学位论文摘要 第三，深入研究了合作博弈论中基于非对称纳什协商方案的频谱分配和共享 问题。为保证合作方式下多用户频谱共享的公平性和有效性，且考虑到不同用户 对于感知的不同贡献，本文采用基于m i m o 旬f d m a 的认知无线电系统，提出了 基于非对称纳什协商方案a n b s 的效能函数，设计了多用户最优匹配及两两协商 新算法，并证明其收敛性，最终实现了基于感知贡献加权的比例公平性频谱共享 仿真结果表明，提出的方案不仅实现了频谱资源的公平有效分配，而且有利于频 谱感知的最大化。 第四深入研究了非合作博弈论中基于囚徒困境和重复囚徒困境模型下的频 谱分配及共享问题。在高斯干扰信道中，多个认知用户共存并相互干扰。基于囚 徒困境模型，自私理性的用户贪婪地扩展自身所占频谱空问，并通过频分复用或 迭代注水等方式实现最大化自身速率，最终导致了纳什均衡，本文分析得到该模 型下信噪比与干扰增益的关系，进而在该条件下仿真和分析竞争频谱共享的性 能：另外为了解决上述囚徒困境导致的个体理性与群体理性的矛盾，本文提出采 用不同的进化策略实现认知用户间的无限重复博弈，导致用户间的合作，通过仿 真比较了不同的进化策略在不同噪声环境下的性能优化的策略如t f r ，g t f t 可以使认知用户从竞争走向合作，得到全局优化的频谱共享性能。 第五，深入研究了分布式环境中认知用户通过机会调度实现频谱共享的问 题。考虑到主用户的随机到达和信道的时变衰落同时影响感知频谱的可用性。本 文提出公平有效且最小化干扰的调度机制，采用离散随机逼近算法解决传输模式 选择的优化问题，即传输用户子集选择和信道分配问题，从而充分利用空、时、 频域资源实现频谱共享。仿真结果显示了几种机制下算法优化的逼近性能，并在 速率、公平性和干扰等方面得到满意的折衷。 最后是全文的总结，并指出有待进一步研究的方向。 关键词：认知无线电频谱共享频谱感知非对称纳什协商重复囚徒困境机会 调度 南京邮电大学博士研究生学位论文a b s h c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e n s e m e n to ft h ed i f f e r e n tn e t w o r k s 、d i f f e r e n to p e r a t i o n sa n dd i f f e r e n t a c c e s st e c h n o l o g i e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h es p e c t r u ml e s o u l ei sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es c a r c e n 把p r o b l e mo fh o wt o 触e fi m p r o v es p e c t m mu t i l i z a t i o n , t h e s y s t e mc a p a c i t y a n d q u a l i t y o fs e r v i c e si n n e x t - g e n e r a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e e d su r g e n ts o l u t i o n s p e c t r u ms h a r i n go fc o g n i t i v er a d i o s ( c r s ) i s an e wi s s u et h a th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h en e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t r a d i t i o n a lf c ds p e c t r u ma l l o c a t i o nl e dt oi n e f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o nf o r r e g i s t e r e du s e r s ( i e p r i m a r yu s e r s ) ，w h i c hg e n e r a t e dal o to fs p e c t r u mh o l e sa n d c a u s e ds p e c t n u nn e s o u r c c sw a s t e ；u n d e rd i f f e r e n ts c e n a r i o so fn e t w o r ks t r u c t u r e sa n d t h ed i s t r i b u t i o no fu s e 髓，c o m b i n i n gc h a n n e la l l o c a t i o n , p o w e rc o n t r o l , i n t e r f e r e n c e a v o i d a n c ea n do p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g , t h es p e c m l ms h a r i n go fc o g n i t i v er a d i o s a i m sa ts e n s i n gp u s ，p r o p o s i n ga d a p t i v es t r a t e g i e s ，u t i l i z i n gt h es p e c t r u mw i t h o u t i n t e r f e r i n gp u sa n df i n a l l yi m p r o v i n gt h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n a tf i r s tas o l u t i o no f s p o c t r u ms e n s i n gb a s e do nc o m b i n a t i o no fs c fa n ds v mi sp r o p o s e d b a s e do nt h e s e n s i n ga n de m p h a s i z e do i lt h ec e n t e ro fs p e c t r u ms h a r i n g ，f l e wa l g o r i t h m sa n df l e w s t r a t e g i e so f s p e c t r u ma l l o c a t i o na n ds h a r i n gf r o mt h ev i e w p o i n t so f c o o p e r a t i o ng a m e t h c o r ya n dn o n - c o o p e r a t i o ng a m et h e o r ya 他p r o p o s e d a tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n w ef o c u so nt h er a n d o ma r r i v a lo fp u s w h i c hl e dt ot h es p e c t r u mh o l e sv a r y i n gw i t h t i m e ，a c c o r d i n g l yw ep r o p o s ean e wo p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h i sd e s s c r t a t i o nm a i n l yc o n t a i n st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s t , w ed i s c u s st h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n t so fs p e c t r u ms h a r i n gi nc r s ，t h e nt h e k e yt e c h n i q u e so fs p e c t r u ms h a r i n ga r ef u r t h e rs t u d i e d ，a n dt h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s ， t h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt h er e v i e wa b o u ts p e c t r u ms e n s i n g 。s p e c t r u ma l l o c a t i o na n d o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n ga r em a i n l ya n a l y z e d s e c o n d , as o l u t i o no fs p e c t r u ms e n s i n gb a s e do nc o m b i n a t i o no fs c fa n ds v mi s p r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ep u s i n h e r e n tp e r i o d i cc h a r a c t e r sa sw e l la sc o n s i d e r i n g t h a ts v mc a l lo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fn e u r a ln e t w o r k s ，s u c ha st h ec o m p l e x s t r u c t u r ea n dt r a p p i n gi nl o c a lo p t i m a lp o i n t s ，w ef i r s t l ye x t r a c tt h ec y c l o s t a t i o n a r y i 南京邮电大学博士研究生学位论文 f e a t u r eb ys c f , t h e nd e a lw i t ht h e mb yd a t ap r o c e s s i n g ，f i n a l l yi n p u tt h e mt os v mt o b ec l a s s i f i c a t e d , f r o mw h i c hw ec a nd e r i v et h ep a r a m e t e r sl i k et h eo c c u p y i n gs t a t u so f s p e c t r u mb a n d sa n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep u s f i n a l l y , t i m e l ya n dr o b u s ts p e c t r u m s e n s i n gi sa c h i e v e d t h ea p p r o a c ha b o v ec o n h i b u t e st ot h ed e v e l o p m e n to fs p e c t r u m s h a r i n g s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es o l u t i o nh a sl e s sc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y a n dh i g h e rp u sr e c o g n i t i o nr a t i o t h i r d ，t h es p e c t r u ma l l o c a t i o na n ds h a r i n g ，w h i c hb a s e do na n b si nc o o p e r a t i v e g a m et h e o r yi sd e e p l ys t u d i e d t og u a r a n t e et h ee f f i c i e n c ya n df a i r n e s so fm u l t i p l e u s e r s s p e c t r u ms h a r i n gi nc o o p e r a t i o na n da l s oc o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tc o n t r i b u t i o n o fd i f f e r e n ti 8 e $ i ns e n s i n g ，an e ws c h e m e , m i m e o f d m a - b a s e dc o g n i t i v er a d i o ， i sp r o p o s e d a na n b s b a s e du t i l i t yf u n c t i o ni si n i t i a l l yc r e a t e d t h r o u g hm u l t i u s e r s o p t i m a lm a t c h i n ga n dt w o c 璐b a r g a i n i n g ，an e ws p e c t r u ms h a r i n ga l g o r i t h m , s e n s i n g c o n t r i b u t i o n w e i g h t e dp r o p o r t i o n a l f a i r n e s s , i si m p l e m e n t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea p p r o a c hn o to n l yr e a l i z e se f f i c i e n ta n df a i r a l l o c a t i o no ft h es p e c t r u mr e s o u i e s ，b u ta l s om a x i m i z e st h ep o t e n t i a lo ft h es p e c t r u m s e n s i n g f o u r t h , t h es p e c t r u ma l l o c a t i o na n ds h a r i n gb a s e do n p da n di p di n n o n - c o o p e r a t i v eg a m et h e o r yi sd e e p l ya n a l y z e d i ng a u s s i a ni n t e r f e r e n c ec h a n n e l m u l t i u s e r sc o e x i s ta n di n t e r f e r ew i t he a c ho t h e r i np d ，s e l f i s ha n dr a t i o n a lc 黜 g r e e d i l ye x t e n dt h e i ro w ns p e c t r u ms p a c ei no r d e rt om a x i m i z et h e i ro w l lr a t e sb y m e a , i i so ff d mo ri 、7 峨w h i c hl e a d st on a s hc q u i l i b r i u m w ea n a l y z ea n dd e r i v et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns n ra n di n t e r f e r e n c eg a i nu n d e rt h ea n a l y s i so fp d t h e nw e s i m u l a t ea n da n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo fc o m p e t i t i v es p e c t r u ms h a r i n g i no r d e rt o s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ei n d i v i d u a la n dt h ec o l l e c t i v e ，w i t hl o n g t e r m i n t e r a c t i o n ，i e i p d ，c r sc a nc o m et oc o o p e r a t ea n dg e tt h es o c i a lo p t i m a lp o i n tb y u s i n gd i f f e r e n te v o l u t i o n a r ys t r a t e g i e s f i n a l l y , w ec o m p a r et h ep e r f o r m a n c e so ft h e d i f f e r e n te v o l u t i o n a r ys t r a t e g i e si nn o i s e - f r e ea n dn o i s ye n v i r o n m e n t s w i t l lt h e o p t i m a ls t r a t e g i e sl i k e 肿；g 肿：c r sc a l lc o m et oc o o p e r a t i o nf r o mc o m p e t i t i o n , a n da c h i e v et h es o c i a lo p t i m a lp e r f o r m a n c eo fs p e c t n m as h a r i n g f l e s h , c r ss t o pi n t os p e c t r u ms h a r i n gb yo p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n gi nad i s t r i b u t e d e n v i r o n m e n t a sar e s u l to ft h er a n d o ma r r i v a lo fp u sa n dt h et i m e - v a r y i n gf a d i n g c h a n n e li m p a c t i n go nt h ef i n a ls p o c t n n na v a i l a b i l i t y , w ep r o p o s ef a i r , e f f i c i e n ta n d i n t e r f e r e n c e - m i n i n l l l ms c h e m e s w ea p p l yt h ed i s c r e t es t o c h a s t i ca p p r o x i m a t i o n i v 南京邮电大学博士研究生学位论文 a b s t r a c t a l g o r i t h mt os e l e c ta no p t i m a lt r a n s m i s s i o nm o d e ，w h i c hc o n t a i n st h es e l e c t i o no f o p t i m a ls u b s e to ft h ec r r i s e r sa n dt h ec h a n n e la l l o c a t i o n b yu s i n gt h er e s o u r c e so f s p a c e ，t i m ea n df r e q u e n c y , w ef i n a l l yr e a l i z et h es p e c t r u ms h a r i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h eo p t i m a la p p r o x i m a t i o na n dt h eg o o dt r a d e o f fa m o n gr a t e ，f a i r n e s sa n d i n t e r f e r e n c e t h el a s tp a r to ft h ep a p e ri ss u m m a r ya n da l s op o i n t so u tt h ed i r e c t i o n sf o rf l r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u ms h a r i n g ，s p e c t r m ns e n s i n g ，a s y m m e t r i c n a s hb a r g a i ns o l u t i o n ，i t e r a t e dp r i s o n e r s d i l e m m a ，o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g v 南京邮电大学博士研究生学位论文缩略语 a l l c a l l d a n b s b e r b p s k c a b c d m a c n c r 缩略语 a l w a y sc o o p e r a t e a l w a y sd e f e c t a s y m m e t r i cn a s hb a r g a i ns o l u t i o n b i te r r o rr a t i o b i n a r yp h a s es k i f fk e y i n g c o o r d i n a t e da c c e s sb a n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o g n i t i v en e t w o r k s c o g n i t i v er a d i o c o r v u s c 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 e n s e ds p e c t r u m c s m c o g n i t i v es y s t e mm o n i t o r d s l d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e d s a d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s d y s p a nd y n a m i cs p e c t n u na c c e s sn e t w o r k s e p ge x a c tp o t e n t i a lg a m e f c c f e d e 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 f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f f i f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g ag e n e t i c a l g o r i t h m g r i m g r i mt r i g g e r g t f tg e n e r o u st i t - f o r - t a t h 潮h i d d e nm a r k o vm o d e l s i e e ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a ia n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s r ri n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e v i 总是合作 总是背叛 非对称纳什协商方案 误码率 二元相移键控 协调接入频段 码分多址 认知网络 认知无线电 用于虚拟未注册频段的 认知无线电方法 感知系统监控器 数字用户线路 动态频谱接入 动态频谱接入网络 严格潜在博弈 美国联邦通信委员会 频分多址 快速傅里叶变换 遗传算法 触发策略 慷慨的针锋相对策略 隐马尔科夫模型 美国电气 电子工程师学会 干扰温度 南京邮电大学博士研究生学位论文缩略语 i p i p d i w f k k t l o m a c m c m c p a m 噼 m i m o n n l p n b s n p n p r m o f d m o f d m | a o s y 斛 p d p e r p o a p s d p o p l p i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e基于干扰温度的 m u l t i p l ea c c e s s 多址接入 i n t e m e tp r o t o c o l互联网协议 i t e r a t e dp r i s o n e r sd i l e m m a重复囚徒困境 i t e r a t e dw a t e rf i l l i n g迭代注水法 k a m s h k u l m - t u c k e r 卡罗需卡塔克最优化条件 lo c a lo s c i l l a t o r本地振荡器 m e d i u ma 9 c e s sc o n t r o l媒质接入控制 m a r k o vc h a i n 马尔科夫链 m a r k o v b a s e d 基于马尔科夫链的 c h a n n e lp r e d i c t i o na l g o r i t h m信道预测算法 m a t c h e df i l t e r匹配滤波器 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m i x e di n t e g e rn o n l i n e a rp m g r a m m i n g混合整数非线性规划问题 n a s hb a r g a i ns o l u t i o n纳什协商方案 n o n - d e t e r m i n i s t i c非确定 p o l y n o m i a l 多项式 n o t i c eo f p r o p o s e dr u l em a k i n g 建议制订规则通告 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n 正交频分 m u l 卸l e x i n g 复用技术 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n 正交频分 m u l 邱l e x i n ga c c e s s 多址接入 o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g 机会调度 p a v l o v巴甫洛夫策略 p r i s o n e r sd i l e m m a 囚徒困境博弈 p a c k e te r r o rr a t e丢包率 p r i c eo f a n a r c h y无秩序价格 p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y功率谱密度 p a r e t oo p t i m a l帕累托优化 p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y包损失率 v 南京邮电大学博士研究生学位论文缩略语 p u q o s r a n d r b f l 强 r t t s c d s c f s 腿 s l t s 队 s n r s p l 下 s v m t 凹 t d m a t f t u d p u 、b w l a n 、m m a n 、 佩a n w s g a v c g p r i m a r yu s e r q u a l i t yo fs e r v i c e r a n d o m r a d i a lb a s i sf u n c t i o n r a d i of r e q u e n c y r a d i ok n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e r o u n d - t r i pt i m e s p e c t r a lc o r r e l a t i o nd e n s i t y s p e c t r a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o n s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h v o r y 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 s i g n a lt on o i s er a t i o s p e c t r u mp o l i c yt a s kf o r c e s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i t - f o r - t a t u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l u l t r aw i d e b a n d w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k w i r e l e s ss y s t e mg e n e t i ca l g o r i t h m v i c k r e y - c l a r k e g r o v e sm e c h a n i s m v h i 主用户 服务质量 随机策略 径向基内积函数 射频 无线电知识 描述语言 回环时问 谱相关密度 谱相关函数 信号干扰噪声比 统计学习理论 统计复用接入 信号噪声比 频谱政策特别工作组 支持向量机 传输控制协议 时分多址 针锋相对策略 用户数据报协议 超宽带无线技术 无线局域网 无线城域网 无线区域网 无线系统遗传算法 双价格机制 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含 其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过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。 、 研究生签名：篁理域日期：塑注：! 1 1 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公 布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生躲迸导师躲擞嗍造芷! ：! 。 1 自目自 * 十日r n t i 1 1 引言 第一章绪论 随着信息时代的到米，无线服务和设备如移动通信、公共安全、广播电视等 的出现和广泛使用标志着无线频谱已成为现代社会不可或缺的、甚至是比土地 和矿藏更宝贵的资谢。一般通信系统发射帆和接收机的使用都需要政府批准，才 能进入通信网络，因此那些没有授权的频段如无线局域嘲w l a n 所在的 24 g h z - 24 8 4 g h z 等，在无线新技术的发展中起着关键作用。成为许多重大革新 的发源地，由此产生的一系列突破性的成功以及由之带来的许多先进技术使得制 定标准的组织( 如美国电气电子工程师学会i e e e 、美国联邦通信委员会f c c 等) 开始分析如今频谱的利用方式以试罔提高无线资源的利用率。无线通信领域中不 同网络、不同业务和不同接八方式的不断增长，使得频谱资橱越来越紧缺。 图1 - 1f c c 的同定频谱分配 圈l - 2 纽约市区测量频谱占用结果 为了提高频谱管理效率，2 0 0 2 年1 1 月f c c 发布了频谱政策特别工作组s p t f 递交的报告报告表明事实上在许多频段频谱接入是比频谱物理稀缺更重 要的问题，如果我们对城市地区和乡村偏远地区进行无线电频谱扫描，就会发现 相比f c c 的固定频谱分配，如图1 - 1 1 “，图1 - 2 1 心所示某些频段大部分时间里是 空闲的，一尝频段只是有时披占用，剩余频段则被过度使用，根据f e d ，分配 频段的利用在时空上变化范围从15 - 8 5 ，有限的叮用频谱和无效的利用使得 一一一一一一 南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论 机会地利用当前存在的无线频谱资源这种新的通信范例成为必要1 4 l 。这就促使 f c c 重新审视频谱管理的传统方法，他们不仅意识到在特定的授权频带频谱利用 率很低，而且意识到无线资源的缺乏大大阻碍了无线应用的发展，使得包括宽带 接入、公共安全、卫生保健、商业以及娱乐方面的应用无频率资源可用。 当前，一方面日益增长的无线业务对无线频谱资源的需求不断增长，导致可 用频谱资源日益紧缺：另一方面，大量授权无线频谱却被闲置或者利用率极低 面对这个局面，近年来研究人员提出了动态频谱接入技术，以解决当前频谱利用 率不高的问题动态频谱接入可以通过不干扰主用户而随机接入的方式实现不同 用户频谱共享，提高现存的频谱利用率而认知无线电被认为是解决上述无线频 谱低利用率实现动态频谱接入问题的最佳方案。它可以广泛应用于当今和未来的 移动通信网、w l a n 、w m a n 、w r a n 、各种特定用途的a dh o e 自组织网络和 m e s h 网络中，提高频谱利用率，改善通信系统的性能，并将在未来形成巨大的 产业群体 1 2 认知无线电及动态频谱接入技术研究现状 1 9 9 9 年由瑞典皇家理工学院的j o s e p hm i t o l a 首先提出c r 的概念，随后他在 2 0 0 0 年的博士论文“c o g n i t i v er a d i o ，a ni n t e g r a t e da g e n t a r c h i t e c t u r ef o rs o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ”【5 酗l 中提出了一种c r 的体系架构和c r 的循环认知模型，并在论文 最后提出了一种简单的c r 原型系统的设计实现随后，对于认知无线电的定义， f c c 则强调如下1 3 l ，认知无线电是具有感知能力的无线通信系统，感知能力即指 无线电从无线环境中感知捕获信息的能力；这种能力不单纯是指功率监控，而是 包括了识别捕获无线电环境的时空变量，由此选择最佳频段和适当的操作参数这 样的能力：而s i m o nh a y k i n 和t h o m a s 将认知无线电的定义集中于认知无线电的可 重配置功能1 7 1 8 l 方面：可重配置即指无线电根据无线环境变化动态编程的能力 综上所述，认知无线电是一个智能的无线通信系统，它能感知周围无线环境，通 过对环境的理解、主动学习等措施实现特定的无线操作参数上( 如功率、载波 调制和编码等) 的实时改变，调整系统的内部状态，适应外部无线环境的变化， 从而达到通信系统性能的最优化认知无线电能够在不影响主用户的前提下智能 地利用空闲频谱并且实现随时随地、高可靠性的通信。而诸如信号处理，人工智 2 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 能、软件无线电、频率捷变、功率控制等技术的迅猛发展赋予了认知无线电系统 实现的可能。从目前的研究来看，不同用户对同一频谱资源的共享有三种模式： ( 1 ) 竞争使用( 2 ) 协作使用( 3 ) 基于认知的使用。竞争使用模式在信息理论 中已经得到充分研究，协作使用尚研究不多，而基于认知的使用无论是研究还是 应用则刚刚开始。 图1 3 认知无线电认知循环图 认知无线电的认知循环如图1 3 所示，它所涉及的3 个主要的步骤【l ： 频谱感知扫描监控频段。获取信息并检测频谱空穴。 频谱分析通过感知估计频谱空穴的特性 频谱决策决定数据速率、传输方式和传输频段，频段特性和用户需求决 定适当的频段被选择。 在动态频谱接入时，已分配给主用户，但在特定的时间和特定的地理位置而 没有被主用户占用的频段，叫做频谱空穴【饥。一旦传输频段决定后，c r 用户可以 接入信道开始通信。可是无线环境随时间和空间变化，认知无线电需要跟踪变化， 如果当前频段重新变得不可用，则通过频谱切换功能( 9 1 1 0 l ( 也称为退避机制) 来 提供一个无缝的传输，环境改变、主用户出现、流量改变和用户移动都会触发切 换。c r 用户通过操作频段、调制方式、传输功率等的改变实现频谱环境的自适应， 也就是它的可重配置特性【3 1 。认知无线电最重要的挑战就是如何共享注册频段而 不干扰其他注册用户的传输。 美国联邦通信委员会f c c 在2 0 0 2 年发布的s p t f 报告，对频谱资源的使用 3 南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论 政策的变化，具有深远的影响报告设定了认知无线电工作组2 0 0 3 年5 月在华 盛顿成立，随后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c r 技术正式起步。2 0 0 4 年，弗杰尼亚理工学院的c h r i s t i a n j a m e s r i e s e r 发表的博士论文“b i o l o g i c a l l yi n s p i r e dc o g n i t i v er a d i oe n g i n em o d e lu t i l i z i n g d i s t r i b u t e dg e n e t i ca l g o r i t h m sf o rs e c u r ea n dr o b u s tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n