（信号与信息处理专业论文）认知无线电网络动态频谱接入模型和方法研究.pdf

南京邮电大学博士研究生学位论文 摘要 摘要 近年来，随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是各种无线 接入技术( 如无线局域网( w l a n ) 、无线个人域网( w p a n ) 、无线城域网( w m a n ) ) 的逐渐商用，人们对无线带宽提出了更高的要求。目前频谱资源管理方式为固定频谱分配 方式，将无线频谱划分为两个部分：授权频段和非授权频段。当前非授权频段已趋饱和， 但授权频段频谱利用率却很低，在时间和空间上存在大量授权用户并未占用的频段( 频谱 空穴) 。为了解决这一矛盾，人们想到了改革当前的固定频谱分配方式，利用授权频段的 频谱空穴提供无线服务。采用这一方式需要无线节点能够感知周围的无线环境，认知无线 电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 是解决这一问题的关键技术。 本文所研究的c r 网络是指利用c r 技术捕捉频谱空穴，并提供给用户接入的无线网 络。c r 网络与授权用户网络共享频谱，但二者在使用频谱上地位并不平等，从而造成c r 网络中频谱资源、网络拓扑的时变性，这就需要对c r 网络中可变的频谱资源做有效地管 理。 本论文以此为背景展开研究，着重研究了c r 网络中的动态拓扑模型和链路时变模型。 另外，频谱感知是共享频谱资源的基础，如何提高感知效率也是本文的一个研究重点。主 要研究内容归纳如下： ( 1 ) 介绍了动态频谱接入( d s a ，d y n a m i cs p e c t r u m a c c e s s ) 和c r 技术的发展历史 和现状、以及应用场合等方面。详细地综述了采用d s a 方式的c r 网络在频谱感知、频谱 管理、频谱转移和频谱共享等方面的国内外研究现状，对其进行了系统地分类，并分析了 它们的研究难点和研究方向。 ( 2 ) 研究了c r 网络的动态拓扑模型，提出了动态分层图( d l g ，d y n a m i c l a y e r e d g r a p h ) 模型来描述c r 网络由于时变的可用频谱而导致的网络拓扑的时变性。在 d l g 模型中，层对应于信道；各个节点在某层中的子节点状态对应于该信道在该节点上的 可用性。子节点的状态根据一个链路时变模型变化。仿真实验表明，d l g 模型能有效地描 述c r 网络拓扑的动态变化，提高路由成功率。 ( 3 ) 应用d l g 模型作为c r 网络的路由分析工具，研究了一种c r 网络中的跨层路 由选择算法。该算法是频谱决策、接口分配、路由发现和d l g 更新的一体化算法。通过 动态更新d l g 的水平边和垂直边权值，配合基于流的接口分配算法，使得路由选择算法 合理地选择链路、频谱和接口，提高路由中节点的全双工通信能力和负载均衡能力，同时 l 南京邮电大学博士研究生学位论文摘要 减少接口在不同信道间的切换。 ( 4 ) 深入地研究了c r 网络的链路可用性变化规律，提出了一种半马尔科夫链和马尔 科夫链嵌套的链路时变模型。该模型采用改进的l z 7 8 算法学习半马尔科夫链和马尔科夫 链的参数，并能根据新的感知数据实时更新模型参数。 ( 5 ) 基于c r 网络的链路时变模型，研究了一种基于高阶马尔科夫模型的频谱可用性 预测算法。该算法可以充分利用历史感知信息，并引入当前状态年龄为预测依据，以很小 的运算代价提供可靠地短期与长期预测。仿真实验表明在各种不同的分布条件下该算法都 表现出较好的性能。 ( 6 ) 选择合适的频谱空穴供c r 用户接入对于保障c r 用户的q o s 请求有着重要意义。 研究了在c r 网络中提供q o s 保障的频谱决策算法，该算法不预定频谱空穴的时长分布， 而是利用c r 网络的链路时变模型学习该分布，并以频谱可用性预测算法为基础，综合考 虑c r 用户的通信请求时长和发起通信的时刻的频谱空穴年龄，为c r 用户提供在通信请 求时间内不发生频谱转移概率意义上的q o s 保障。 ( 7 ) 提出了一种自适应的频谱感知策略，将感知时间划分为较短的感知时隙，每进 行一个感知时隙的感知后，利用两个阈值矢量中的对应元素判定在下一感知时隙的行为： 数据传输、频谱转移还是继续感知。这种方式能够有效地降低感知开销，提高频谱利用率。 关键词：认知无线电动态频谱接入网络拓扑模型链路时变模型频谱预测频谱决策服 务质量自适应频谱感知 南京邮电大学博士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hr 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 nt e c h n o l o g y , w i r e l e s s s p e c t r u mi si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gas c a r c er e s o u r c e v v h c nm a n yw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s f w t r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k st w l a n ) ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( w p a n ) ，w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( w m a n ) ) p u ti n t oa p p l i c a t i o n , u s e r ss e tas t i l lh i g h e rd e m a n do n w i r e l e s sf i ：e q u e n c yr e s o u r c e s a tp r e s e n t , t h er a d i os p e c t r u mi sm a n a g e db yg o v e r n m e n t , a n da f i x e da l l o c a t i o nm o d ei s a d o p t e d r a d i os p e c t r u m sa r ed i v i d e d i n t ol i c e n s e df r e q u e n c ya n d u n l i c e n s e df i e q u e n c y d u et or a p i dd e v e l o p m e n to fv a r i o u sw i r e l e s st e c h n o l o g i e sw h i c hu s i n g u n l i c e n s e df i r e q u e n c y , t h eu n l i c e n s e df r e q u e n c yi sg e t t i n gm o r ec o n g e s t e d o nt h ec o n t r a r y , i n m a n yr e g i o n sa n dt i m ep e r i o d s ，m a n yl i c e n s e db a n d sh a v en o tb e e nf u l l yu s e db y 也e i ru s e r s ( s p e e u mh o l e s ) d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ( d s a ) ，w h i c hp r o v i d e sw i r e l e s ss e r v i e eb yu s i n g s p e c t r u mh o l e s ，i sp u tf o r w a r dt oh a n d l et h ec o n t r a d i c t i o n c o g n i t i v er a d i o ( c r ) i sak e y t e c h n o l o g yt h a te n a b l e st h ew i r e l e s sn e t w o r kw h i c ha d o p t sd s at e c h n o l o g yt oc a p t u r es p e c t r u m h o l e s c rn e t w o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni sl i m i t e dt ot h ew i r e l e s sn e t w o r kw h i c hp r o v i d e sw i r e l e s s s e r v i c eu s i n gs p e c t r u mh o l e s c rn e t w o r k ss h a r ew i r e l e s ss p e c t r u mw i t hl i c e n s e du s e rn e t w o r k s a n de a c hh a sd i f f e r e n tp r i o r i t y , w h i c hc a u s et i m e v a r y i n gp r o p e r t yo fs p e c t r u mr e s o u r c ea n d n e t w o r kt o p o l o g y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt om a n a g et h es h a r e ds p e c t r u me f f i c i e n t l yi nc r t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ed y n a m i ct o p o l o g ym o d e la n dt i m e - v a r y i n gl i n km o d e lo fc r n e t w o r k s m o r e o v e r , s p e c t r u ms e n s i n gi st h eb a s i so fs h a r i n gs p e c t r u m h o wt oi m p r o v es e n s i n g e f f i c i e n c yi sa n o t h e rr e s e a r c he m p h a s i s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r co r g a n i z e da s f o l l o w s ( 1 ) w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n t s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o ns c e n a r i o so fd s a a n dc r i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e i rr e s e a r c hd e v e l o p m e n t si nd e t a i la sr e s p e c to fs p e c t r u ms e n s i n g ， s p e c t r u mm a n a g e m e n t ，s p e c t r u mh a n d o v e r , s p e c t r u ms h a r i n g ，a n du p p e rl a y e r i s s u e sa r e r e v i e w e d ，a n dt h e i rr e s e a r c hd i f f i c u l t i e sa sw e l la st h e i rr e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ea l s oa n a l y z e d ( 2 ) f o rt h ed y n a m i cp r o p e r t yo fa v a i l a b l es p e c t r u mi nc rn e t w o r k s ，t h et o p o l o g yo fc r n e t w o r k si sa l s ot i m e - v a r y i n g d y n a m i cl a y e r e d - g r a p h ( d l g ) m o d e li sp r o p o s e dt od e s c r i b e 南京邮电大学博士研究生学位论文a b s t r a c t t h ed y n a m i ct o p o l o g yo fc rn e t w o r k s i nd l g ；l a y e ri sc o r r e s p o n d i n gt oc h a n n e l ，t h es t a t eo f s u b - n o d eo na l a y e ri sc o r r e s p o n d i n gt ot h ea v a l i b i l t yo ft h ec h a n n e la tn o d ew h i c ht h es u b - n o d e b e l o n g st o t h es t a t eo fs u b - n o d ei st r a n s f e r r e da c c o r d i n gt o at i m e - v a r y i n gl i n km o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed l gm o d e lc a nd e s c r i b ec rn e t w o r ka c c u r a t e l ya n di m p r o v e r o u t i n gs u c c e s sr a t e ( 3 ) o n t h eb a s i so ft h ed l gm o d e l ，ac r o s s l a y e rd e s i g nb a s e dr o u t i n ga l g o r i t h mi ss t u d i e d i t i sa ni n t e g r a t e dd e s i g no fs p e c t r u md e c i s i o l hi n t e r f a c ea l l o c a t i o n , r o u t ef i n d i n ga n dd l g u p d a t i n g w i t ht h ea i do fi n t e r f a c ea l l o c a t i o na l g o r i t h ma n dd y n a m i c a l l yu p d a t i n gt h ew e i g h t so f e d g e si nd l g t h er o u t i n ga l g o r i t h md oi tb e s tt os e l e c tt h en o d ew i t hi d l ei n t e r f a c ea n dc h a n n e l w i ml o w e rl o a dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo f f u l l - d u p l e xc o m m u n i c a t i o na n dl o a db a l a n c e i far o u t e m u s ts h a r ei n t e r f a c e 谢t l lo t h e r s 。i ts h o u l dr e d u c et h ei n t e r f a c es w i t c h i n ga m o n gc h a n n e l s ( 4 ) t h ev a r i a t i o nl a w o ft h ea v a i l a b i l i t yo fl i n ki nc rn e t w o r k si sd e e p l ys t u d i e d a t i m e - v a r y i n gl i n km o d e lb a s e do nn e s t e ds e m i - m a r k o vl i n ka n dm a r k o vl i n ki sp r o p o s e d a n i m p r o v e dl z 7 8a l g r i t h mi sd e v e l o p e dt ol e a r nt h es t a t i s t i c a ll a wo fl i c e n s e du s e r so c c u p y i n g c h a n n e ld u r a t i o na n ds p e c t r u mh o l e sd u r a t i o n ，a n dt ou p d a t em o d e lp a r a m e t e r a c c o r d i n gt on e w c o m i n g d a t a ( 5 ) b a s e do nt i m e - v a r y i n gl i n km o d e lm e n t i o n e da b o v e ，as i m p l ey e te f f i c i e n ta l g o r i t h r ni s d e v e l o p m e n t t op r o v i d er e l i a b l es h o r t - t e r ma n dl o n g - t e r ms p e c t r u mu s a g ep r e d i c t i o nw a ss t u d i e d s 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 da l g o r i t h mc a nr u nw e l lu n d e rt h ed i f f e r e n td i s t r i b u t i o n o ft h ed u r a t i o no f s p e c t r u mh o l e ( 6 ) i ti si m p o r t a n tt oa l l o c a t ear e a s o n a b l es p e c t r u mh o l et oac r u s e r 、) i ，i lq o sr e q u i r e m e n t aq o sp r o v i s i o n i n gs p e c t r u md e c i s i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d r a t h e rt h a np r e s u p p o s et h e d i s t r i b u t i o no ft h ed u r a t i o no fs p e c t r u mh o l e ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h ml e a r nt h ed i s t r i b u t i o nw i t h a i do ft i m e - v a r y i n gl i n km o d e b a s eo nt h es p e c t r u mu s a g ep r e d i c t i o na l g o r i t h ma n dt a k et h e r e q u e s tt i m eo fau s e ra n dt h ea g eo fs p e c t r u mh o l ea tt h et i m eo ft h eu s e ri n i t i a t i n gt h es e s s i o n i n t oa c c o u n t s ，t og t m r a n t e cq o si nas e n s eo fs p e c t r u mh a n d o v e rp r o b a b i l i t y ( 7 ) a na d a p t i v es p e c t r u ms e n s i n gs c h e m ei sp r o p o s e d s e n s i n gt i m ew a sd i v i d e di n t om a n y t i m e - s l o t s a f t e rat i m e - s l o ts e n s i n g ，t h ea c t i o ns e tc o n s i s t so fd a t at r a n s m i s s i o n ，s p e c t r u m h a n d o v e ra n dc o n t i n u es e n s i n g t h ea c t i o ni ss e l e c t e di nt h ea c t i o ns e tb yc o m p a r i n gt h es e n s i n g r e s u l t 、航mc o r r e s p o n d i n ge l e m e n t so ft w ot h r e s h o l dv e c t o r s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t h ma c h i e v e sah i g h e rs p e c t r u mu t i l i z a t i o nc o m p a r e dt os p e c t r u ms e n s i n gs c h e m e 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 w i t hf i x e ds e n s i n gt i m e k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s ，n e t w o r kt o p o l o g ym o d e l ， t i m e - v a r y i n gl i n km o d e l ，s p e c t r u mu s a g ep r e d i c t i o n , s p e c t n m ad e c i s i o n ，q u a l i t yo fs e r v i c e ， a d a p t i v es p e c t r u ms e n s i n g v 南京邮电大学 博士研究生学位论文摘要 学科：王堂 专业：。一值曼皇值。氩处理 研究方向：图傻处堡墨堡视题佳输 作者：2 0 0 7 级博士研究生李洋 指导老师：董育宁教授 题目：认知无线电网络动态频谱接入模型和方法研究 t i t l e ：r e s e a r c ho nd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sm o d e l sa n dm e t h o d si nc o g n i t i v er a d i o n e t w o r k s 关键词：认知无线电动态频谱接入网络拓扑模型链路时变模型频谱预测频谱决策服 务质量自适应频谱感知 k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，d y n a m i cs p e c t r u m a c c e s s ，n e t w o r kt o p o l o g ym o d e l ， t i m e v a r y i n gl i n km o d a l ，s p e c t r u mu s a g ep r e d i c t i o n ，s p e c t r u m d e c i s i o n ， q u f l i t yo fs e r v i c e ，a d a p t i v es p e c t r u ms e n f i n g 本论文得到以下基金项目资助 1 国家自然科学基金项目移动多媒体m e s h 网络体系架构和认知q o s 路由理论和方法研 究 ，编号：n o 6 0 9 7 2 0 3 8 ； 2 江苏省高校自然科学重大基础研究项目“移动多媒体m e s h 网络架构及其q o s 自适应控 制体系研究 ，编号0 7 a 5 1 0 0 6 ； 3 深圳中兴通讯股份有限公司研究基金“3 g 网络实时媒体流端到端q o e 机制研究 ，编 号2 0 0 9 w 4 1 。 南京邮电大学博士研究生学位论文图表说明 图表说明 图1 - 1 频谱利用情况测量2 图l - 2d s a 的三种模型：2 图1 3 认知循环o 5 图l _ 4c r 系统各功能模块与o s l 分层模型之间的对应关系5 图2 14 节点c r 网络示意图2 2 图2 2 图2 1 对应的l q 2 3 图2 3 子节点状态转移图。2 4 图2 4 节点s o p 变化导致的d l g 更新过程2 9 图2 5 路由建立导致的d l g 更新过程3 0 图2 6 路由释放导致的d l g 更新过程3 1 图2 7d l g 户一3 2 图2 - 8 d l g 户0 1 ：3 2 图2 - 9 随口变化的更新时间比较( 不同节点数) 3 4 图2 1 0 随口变化的更新时间比较( 不同信道数) 3 4 图2 1 l 路由成功率比较1 。3 6 图2 1 2 路由成功率比较2 3 6 图3 1 蜂窝网络三个不同基站三个星期的负载变化( 已归一化) - 3 8 图3 2 授权用户每次占用的时长分布( 蜂窝网络) 3 8 图3 3o n o f f 信道模型和频谱感知4 1 图3 4 半马尔可夫过程4 3 图3 5m 的状态转移图4 3 图3 - 6 状态树的生成与更新过程- 4 5 图3 7 过时数据在链路时变模型中积累4 7 图3 8 二维链路时变模型4 7 图3 - 9 均匀分布情况下的概率密度4 9 图3 1 0 指数分布情况下的概率密度4 9 图3 1 1 正态分布情况下的概率密度4 9 v i 南京邮电大学博士研究生学位论文 图表说明 图3 一1 2 对数正态分布情况下的概率密度5 0 图3 1 3 拉普拉斯分布情况下的概率密度5 0 图3 1 4 瑞利布情况情况下的概率密度5 0 图3 1 5 单步预测性能比较( 均匀分布) 5 6 图3 1 6 单步预测性能比较( 指数分布) - 5 6 图3 1 7 单步预测性能比较( 高斯分布) 5 7 图3 1 8 多步预测性能比较( 均匀分布) 5 7 图3 1 9 多步预测性能比较( 指数分布) 5 7 图3 - 2 0 多步预测性能比较( 高斯分布) 5 7 图3 2 l 会话过程中发生频谱转移的概率与会话发起时刻相关6 1 图3 - 2 2 频谱转移概率比较( 指数分布情况) 6 6 图3 2 3 频谱转移概率比较( 均匀分布情况) 6 6 图3 2 4 频谱转移概率比较( 对数正太分布情况) 6 6 图3 2 5 频谱转移概率比较( 正太分布情况) 6 6 图3 2 6 频谱转移概率比较( 瑞利分布情况) 6 6 图3 2 7 频谱转移概率比较( 拉普拉斯分布情况) 6 6 图3 2 8 信道占用情况比较1 6 7 图3 2 9 信道占用情况比较2 。6 7 图3 3 0s d p w 算法拒绝模式下的频谱转移概率6 7 图3 3 0s d p w 算法拒绝模式下的拒绝概率6 7 图4 - l 双阈值示意图7 1 图4 - 2 不同信噪比条件下的感知时间比较7 7 图4 3 不同感知开销下的信道利用率和冲突概率比较7 8 图4 _ 4 不同冲突下的信道利用率和感知开销比较：7 9 图4 5 自适应感知方式的感知时长分布8 0 图4 6 兄和p ，和关系8 0 表3 1h o m s p a 和b t s a s p 算法的运算时间复杂度比较( z s ) 5 5 v l 南京邮电大学博士研究生学位论文 英文缩略语表 英文缩略语表 a dh o co n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g a u t or e g r e s s i v e b e a c o n i n gp e r i o d b i n a r yt i m es 盯i c sa p p r o a c ht os p e c t r u mp r e d i c t i o n 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 er a d i o c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e d y n a m i cl a y e r e d - g r a p h d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s s d a t at r a n s f e rp e r i o d e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i 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 旧1 u r e q u e s t f r c q u r e p l y g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i e a t i o n s h i g h - o r d e rm a r k o v c h a i nb a s e ds p e c t r u mu s a g ep r e d i c t i o n a l g o r i t h m i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e j o i n to p t i m i z a t i o no fs p e c t r u mh a n d o f fs c h e d u l i n ga n dr o u t i n g p r o t o c o l l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d l a y e r e d - g r a p h m e d i a a c c e s sc o n t r o l m a t r i xl a b o r a t o r y m u l t i p l ec h a n n e lr o u t i n gp r o t o c o l m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m i c r o s o f ts e r v i c en e t w o r k n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r o p p o r u n i t ys p e c t r u ma c c e s s o p e ns y s t e mi n t c r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l q u a l i t yo f e x p e r i e n c e q u a l i t yo fs e r v i c e q u i e tp e r i o d r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e r o u t er e p l y r o u t er e q e s t r e q u e s tt os e n d c l e n rt os e n d r o u n d t r i pt i m e s p a m m nd e c i s i o nb a s e do n m f , s nm a t c h i n g s p e c t r u md e c i s i o nb a s e do n p r e d i c t i o n 、， 无线自组网按需平面距离矢量路由协 议 自回归 信标时段 基于二进制时间序列的频谱预测 码分多址 认知无线电 载波侦听多路访问胂突避免 动态分层图 动态频谱接入 数据传输时段 增强型数据速率g s m 演进技术 美国联邦通信委员会 频谱请求，频谱应答 全球移动通讯系统 基于高阶马尔科夫模型的频谱预测算 法 工业科学和医用 联合频谱转移规划和路由协议 授权频段 分层图 媒体接入控制 矩阵实验室 多信道路由协议 多输入多输出 微软网络服务 网络分配矢量 机会频谱接入 开放系统互连基本参考模型 体验质量 服务质量 静默时段 无线电知识描述语言 路由应答信息 路由请求信息 请求发送，允许发送 往返时间 基于均值匹配频谱决策算法 基于预测的频谱决策算法 一 觚即一镰一 啪姒哪一耽一铡一 踟一 啪埝一一脚心姒一啦娜妒一唧一舯一暑| 南京邮电大学博士研究生学位论文 英文缩略语表 s d p w s p e c t r u md e c i s i o nb a s e do np r e d i c t i o nw i t h 托s o u 托er e s e r v a t i o n s p e c t r u md e c i s i o nb a s e do np r e d i c t i o nw i t h o u ti f s o 嗽 r e s e r v a t i o n s p e c t r u mo p p o r t u n i t i e s 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 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l at n m s p o r tp r o t o c o lf o rc ra dh o en e t w o r k s u n l i c e n s e df r e q u e n c yb a n d w i r e l e s sf i d e l i t y w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s i x 带资源预留的基于预测的频谱决策算 法 非资源预留的基于预测的频谱决策算 法 频谱机会 传输控制协谢用户数据包协议 认知无线电白组网传输层协议 非授权频段 无线保真 全球微波互联接入 无线局域网 无线城域网 无线个人域网 0 d a x， 7 一 暑|一啪删一 南京邮电大学博士研究生学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在过去的几十年的时间里，无线通信和无线网络技术以前所未有的速度发展。无线数 字蜂窝网的发展取得巨大成功，并从2 g 过渡到3 g ；各种无线接入技术如无线局域网 ( 。a n ) 、无线城域网( w 删) 、无线个人网( w p a n ) 也逐渐进入商用领域并迅速普 及。各种无线网络技术的应用给人们的生活带来极大的方便，但是随着人们对无线带宽越 来越大的需求，有限的无线频谱资源已经成为制约无线技术应用的主要瓶颈，许多新兴的 无线技术由于分配不到合适的频谱而无法商用。由于无线传输媒质的固有特性，不能象有 线网络那样可以通过增加或使用先进的传输媒质的方法来提高网络带宽，提高频谱利用率 成了在有限可用频谱的情况下增加网络带宽的主要途径，也是无线技术得以迅速发展和普 及的一项关键技术。这些提高频谱利用率的技术包括蜂窝技术、各种物理层调制解调技术、 m i m o 技术等。近年来，由于无线技术特别是软件无线电技术的发展，使得无线设备可以 更加自由地选择无线技术和工作频谱，人们开始注意到通过改进无线频谱资源管理方式来 提高频谱利用率。当前的无线频谱资源主要采用固定的管理方式，将无线频谱划分为授权 频段( l f b ) 和非授权频段( u f b ) 。大部分频谱资源被作为授权频段，由政府部门统一授权给 授权用户( 如无线广播电视睡、蜂窝电话网等，本文中也称其为主用户) 在某地理范围内使 用。非授权频谱要少得多，近年来工作于非授权频段的无线新兴技术越来越多，非授权频 段已经变得非常拥挤。虽然固定的频谱分配方式在以往很长时间内能有效地管理频谱，而 且具有管理简单，技术实现方便的优势，但是随着无线技术的快速发展，这种管理方式效 率低下的缺点越来越凸显出来。根据美国联邦通信委员会( f c c ) 提供的资料来看，授权 频段的频谱利用率只有1 5 一8 5 t 1 1 ，在时间和空间上都存在大量的频谱空穴( 未被利用的 频谱) ，如图1 1 所示【z j 。这与当前紧张的频谱资源产生了强烈的矛盾，因此有必要改革当 前的频谱管理方式。在这样的背景下，动态频谱接入( d y n a m i cs p e c t r u m a c c e s s ，d s a ) 1 3 】 概念应运而生。所谓d s a 就是事先并不为某项无线技术分配排它性的频谱，无线网络根 据时间、空间或外在频谱环境等，选择合适的频谱供用户接入。 实现d s a 的关键技术是认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 【4 】技术。c r 技术是一种能 够根据与它的操作环境进行交互而改变传输参数的无线电技术【5 】。c r 技术具备探测和接入 当前频谱空穴的能力，d s a 方式允许c r 网络工作在最合适的频段。d s a 和c r 技术相结 南京邮电大学博士研究生学位论文第1 章绪论 功 率 厶 田 暑 、一， 图1 - 1 频谱利用情况测量