动态频谱接入系统中的感知调度策略研究.doc

动态频谱接入系统中的感知调度策略研究 因此，从数量上讲，无线电频谱并非取之不尽用之不竭，而是一种数量有限的自然资源1。 但是，不同于其他有限的自然资源（例如石油，煤炭等），频谱资源具有非损耗性，可重复利用性的特点，这一点类似于土地资源。 可见，频谱资源的特点可以总结为总量有限，但可以无限重复使用。 随着无线电技术与业务一步步的走进人们的日常生活，人们对无线电频谱资源的需求也越来越多，数量有限的无线电频谱资源将无法满足人们的需求。 特别是非常适合无线通信的优势频段，到目前为止，频谱资源基本上已经分配完毕，可用频率十分紧缺，可参见中国2、美国3和欧洲4的频谱分配情况。 图1.1为美国官方给出的xx年频谱分配表。 近年来，人们对已经分配出去的频谱资源的使用情况进行了一系列调研。 美图1.1美国无线电频谱资源分配表31华中科技大学博士学位论文图1.2不同频段频谱利用情况5国联邦通信委员会（Federal CommunicationCommission，FCC）xx年的一份调查报告表明分配给授权用户的频段其使用率在不同时间不同地区的波动很大6。 不同的已分配频谱的使用情况差别也很大5，如图1.2所示。 美国共享频谱公司（Shared SpectrumCompany，SSC）于xx年?xx年在美国境内的七个地点以及境外一个地点进行了一系列频谱测量工作7,8，以便更好的了解城市和郊区的频谱的实际使用情况。 测量结果表明在美国的七个地点中，频谱占用率平均最低为1%（West Virginia的Green bank），最高为17.4%（Illinois的Chicago）。 新加坡科技研究院（Agency forScience，Technology AndResearch，A-STAR）的信息通信研究所（Institute forInfom Research，I2R）在新加坡的频谱测量结果表明平均频谱利用率为4.5%，并且除了电视广播频段和GSM频段外，其他频段利用率都非常低9。 综上所述，在已有的通信系统中，国家有关部门将无线电频谱固定的分配给一些用户（称之为授权用户），授权用户对其分得的频谱具有独占性，即不允许其他用户使用该频谱。 这种固定的频谱分配方式有利于保证授权用户的服务质量（Quality ofService，QoS）。 但由于通信过程的突发性，这些授权频谱的利用率很2华中科技大学博士学位论文?图1.3动态频谱接入的分类?图1.4动态接入频谱空洞示意图低。 所以，可以说频谱资源的匮乏，相当一部分原因是由于人们对频谱资源的管理不当造成的。 随着频谱资源短缺和授权频谱利用率低的矛盾日益加剧，人们迫切的希望提出新的频谱分配及使用方案。 为了提高频谱利用率，人们提出了一些频谱共享的方案1012。 其中，动态频谱接入方案1317（Dynamic SpectrumAess，DSA）受到广泛认可。 文献18将动态频谱接入策略概括为三种模型动态排他使用模型、开放共享模型、分层接入模型，如图1.3所示。 动态排他使用模型在静态的固定频谱分配策略的基础上，引入了更多的灵活性，以便提高频谱利用率，其主要包含两种技术频谱产权和动态频谱分配。 开放共享模型向所有的用户开放其频谱，例如工业、科学和医疗（IndustrialScientific Medical，ISM）频段为开放的公共频段。 分层接入模型的主要思想是在保证非授权用户不会对授权用户造成干扰的前提下，授权用户对非授权用户开放其频3华中科技大学博士学位论文谱。 这种模型一般包括两种实现机制频谱衬垫（Spectrum underlay）和频谱填充（Spectrum Overlay），频谱填充又称为机会式频谱接入技术（Opportunistic SpectrumAess，OSA）1921。 在机会式频谱接入技术中，当授权用户不使用自己的频谱时，非授权用户通过频谱检测手段发现时域和空域上出现的频谱空洞，非授权用户在不干扰授权用户的前提下，动态的“借用”这些频谱空洞进行通信，从而和频谱授权用户共享频谱资源，提高频谱利用率。 图1.4描述了通信用户在授权频谱未使用频谱时（即频谱空洞），利用其频谱进行通信的示意图。 1999年Joseph Mitola博士提出了认知无线电的概念。 认知无线电技术2227（又称为智能无线电技术或感知无线电技术）以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知周围的通信环境，并使用人工智能、机器学习等技术从周围环境中学习，有目的地实时改变系统通信参数（例如发送功率、载波频率和调制方式等等），从而改善通信系统的性能，高效地利用无线频谱资源。 认知无线电技术已经成为实现机会式频谱接入的重要实现手段之一。 IEEE802.22工作组成立于xx年，致力于发展无线区域网（Wireless RegionalAreaNetwork,WRAN）标准，并且第一次尝试将认知无线电技术应用到实际中。 本论文将重点讨论动态频谱接入系统中的频谱感知接入的调度策略。 1.2研究现状在动态频谱接入发展的十几年里，人们对动态频谱接入系统中感知策略和接入协议进行了大量的研究。 下面我们对这些研究做一些简单回顾。 1.2.1频谱感知在频谱感知方面，协作频谱感知被大家广泛的研究，因为非授权用户通过协作频谱感知，可以有效的克服无线通信环境中广泛存在的阴影衰落和多径效应2834。 在文献28和32中，作者提出了一种基于“或”规则的协作感知方案，该方案通过对所有非授权用户的检测结果进行逻辑“或”操作来得到最终感知结果。 换言之，每个非授权用户独立地对授权用户的存在进行判断，然后将检测结果（0或1，分别代表信道空闲或忙）发送给数据融合中心，如果有一个非授权用户认为授权用户正在使用授权频谱，那么数据融合中心就可以认为授权用户确实在使用授权频谱。 在文献31中，作者研究表明认知无线电网络中，并非所有的非授权用户一起协作感知频谱就能得到更好的感知性能。 通常最佳的感知性能只是通过一部分非授权用户通过协作感知而获得的，这部分非授权用户拥有较好的接收授权用户信号4华中科技大学博士学位论文的信噪比。 所以，如果所有的非授权用户的接收信噪比都是知道的，我们就可以得到最优的非授权用户协作组合。 具体而言，为了获得最佳的协作感知性能，我们只需要选择信噪比最好的一部分非授权用户进行协作就可以了。 在文献33中，作者研究了非授权用户和授权用户之间的频谱共享机制，提出了一种有效的基于能量检测的频谱感知方案。 所提出的方案是一种近似最优的检测方案，并且可以方便的应用于实际。 该方案在Rayleigh衰落和阴影衰落情况下，性能都优于传统的“OR”检测方案，但该方案的缺点是非授权用户之间需要交互更多的信息。 此外，作者还讨论了将序贯检测机制应用于所提出的检测方案。 在文献34中，作者提出一种协作感知方案，同时在非授权用户节点和融合中心进行序贯检测，并且研究了所提出的感知方案的性能。 论文中所提出的感知方案能够使控制信道带宽最小化，并且使总的感知时间最小化，而取得这些优点的同时，只需要损失极少量的系统性能（甚至一点都不损失）。 实际上，在给定系统误警概率和漏警概率情况下，作者所提出的方案可以控制平均感知时间。 在文献35中，作者提出一种认知无线电网络中的机会协作机制。 在该论文所考虑的网络环境中，授权用户在释放授权信道时，会广播一组指示消息（beaconmessage），非授权用户的接收终端和发送终端会协作检测该指示消息。 协作机制是这样设计的非授权用户的收发终端通过一次性中继，在检测该指示消息时获得二阶分集增益。 作者也量化分析了感知错误对算法性能的影响，结果表明所提出的协作感知机制依然能够获得较多的认知信道容量。 作者还分析了非理想的信息交互和协作代价对算法性能的影响。 该协作模型还可以方便的推广至多用户的认知网络中。 文献36则把协作感知的概念引入MAC层的协议设计中，并且探讨了协作带来的一些MAC协议层的新问题。 1.2.2频谱感知调度在频谱感知调度方面，以K.G.Shin为主的研究小组做了一些贡献。 文献37探讨了两种感知模型proactive感知模型和reactive感知模型，并且提出了感知模型的选择机制，可以更好的节约电池能量。 作者重点研究了proactive感知模型，特别是研究了最优的自适应感知策略，使得非授权用户可以找到更多的频谱空洞。 作者还通过估计最大似然比以及置信区间，提出了一种信道使用模型的估计技术。 利用该信道模型估计技术可以找到最优的信道检测顺序，使得非授权用户找到频谱空洞的延5华中科技大学博士学位论文时最小。 在文献36中，作者研究了两个优化问题自适应感知周期优化问题，以及信道切换中的感知顺序优化问题。 研究这两个问题都是为了通过充分考虑信道的使用模型（ON/OFF），提高发现频谱空洞的效率。 文献38通过考虑感知时间内频谱可利用的概率、感知一个信道持续的时间、信道容量，提出了一种产生较小时延的感知序列，使得非授权用户可以以最小的QoS损失接入频谱空洞进行通信。 作者还试图构建备选信道列表，并且提出一种支持快速发现频谱空洞的备选信道列表更新算法。 此外，作者还利用最大似然比以及贝叶斯推理，对基于ON/OFF模型的授权信道使用情况进行可靠的估计，只需要有限的采用点数预测授权信道的使用情况。 以Qing Zhao为首的研究小组所作的贡献中，文献39基于部分可观测马尔科夫决策过程（partially observableMarkov decisionprocess，POMDP）的框架，提出了一种最优的分布式认知（DC-MAC）协议和次优的贪婪DC-MAC协议，能在一组信道中选择最合适的信道进行感知和接入。 作者所提出的算法支持设置授权用户和非授权用户的权值。 所提算法还可以扩充到不同的领域，例如基于载波监听协议的ad-hoc网络，基于利用频谱空洞通信的机会频谱接入网络，等等。 文献40基于部分可观测马尔科夫决策过程，提出了机会频谱接入网络中PHY层和MAC层联合设计的分离原则，从而获得最优的频谱感知方案和接入策略。 作者提出了两种启发式算法，探讨了信道占用之间的相关性。 作者通过仿真发现物理层的性能提高源自于MAC层的感知和接入决策，并且发现在提高吞吐量方面，研究物理层的信道相关性比研究MAC层更为有效。 文献41的研究表明当信道状态的转变在时间上相关时，一种简单的、稳定的近似策略在有限和无限域的折扣收益准则，以及无限域的平均收益准则下都是最优的。 当信道状态的转变在时间上不相关时，所提出的方案在信道个数是2或3时，仍然是最优的，但在信道个数为4时却不是最优的。 以Ying-Chang Liang为首的研究小组所作的贡献中，在文献42中，作者研究了认知无线电网络中两种感知周期的调度方法基于CSI（channel stateinformation）的感知调度和基于QCI（queuing andchannel information）的感知调度。 基于CSI的感知调度算法根据认知节点预测到的信道状态，自适应的调度认知节点的感知周期，从而改善了频谱感知效率。 基于QCI的感知调度算法综合考虑了感知节点的信道状态和信道序列，有效降低了数据包丢失率。 文献43基于“感知-吞吐量”折中原则，研究了认知无线电网络中宽带频谱感知。 作者将其建模为一个优化问题，找出了最优的感知时间和功率分配策略，使得认知网络的吞吐量最大化，同时保证对授权用6华中科技大学博士学位论文户没有明显干扰，以及不超过非授权用户发射机的发射功率限制。 更重要的是，在平均功率受限的情况下，该算法仅依据信道的可用性以及衰落特性进行功率分配的。 文献44研究了一种支持周期频谱感知的CR-MAC结构设计。 作者将“感知-吞吐量”折中问题建模一个同时考虑授权用户和非授权用户的优化问题，考虑控制对授权用户干扰的前提下，使得非授权用户的可达吞吐量最大化。 作者在所提出的方案中采用了能量检测机制，并且证明了存在一个最优解，使得感知时间和可达吞吐量之间取得最好的折中。 此外，作者还讨论了协作感知在所提出的方案中的应用。 以Xi Zhang为首的研究小组所作的贡献中，文献45研究并分析了基于认知的无线Ad hoc网络中多信道MAC层协议。 该协议可使得非授权用户在感知并使用频谱时，对授权用户不造成干扰。 为了检测出频谱空洞，作者提出了两种不同的感知策略。 因为非授权用户的收发端通过CSMA/CA算法进行协调，所以文献45所提出的MAC协议不需要中心控制器。 通过Markov模型和M/G Y/1模型，在饱和网络和非饱和网络下，作者对所提出的信道感知协议进行了理论分析。 分析结果表明吞吐量和延时性能之间存在折中，这可以指导我们设计不同QoS要求的认知无线网络。 文献46中，作者提出一种多信道MAC协议，非授权用户配有两套收发机，包括控制收发机和基于软件无线电的数据传输收发机。 前者工作在固定的控制信道上，后者可以对授权信道进行感知、接入、以及收发数据。 作者提出两种协作信道感知策略，包括随机感知策略和协商感知策略。 文献47中，为了降低数据拥塞率，并且保证V2V（vehicle tovehicle）网络的QoS性能，作者提出了基于簇的多信道通信机制（包括三种主要协议）。 该机制中，簇内车辆以TDMA方式，通过广播形式进行安全信息交换，而簇间则只有各簇头之间交互信息。 因此，该方案相比传统802.11协议和V2V-DCA协议具有更高的实时性和可靠性。 此外，作者还对所提出的机制做了理论分析，推导出了不同高速环境下的竞争窗的大小。 另外，文献48研究了基于多信道的硬件受限的MAC层协议，从而改进了认知网络的吞吐量和频谱利用率。 作者主要考虑了认知网络中的硬件约束，包括感知约束和传输约束，同时考虑授权用户对非授权用户的干扰的忍受能力有一定的限制。 作者研究了如何通过优化感知顺序，使得非授权用户的吞吐量最大化。 这个问题被建模为一个最优停止问题，并且分别给出了最优和次优的解决方案。 该论文所提出的算法可以应用于单对非授权用户通信中。 而在多信道认知无线电网络中，该算法也可以协调非授权用户之间的接入竞争和频谱使用。 在文献49中，7华中科技大学博士学位论文作者提出了一种适用于认知无线电网络的，名为“基于扩展知识的推理”（EKBR）的MAC层感知方案。 通过获取网络状态的一些先验知识，例如快速感知结果、短期信道可用状态或信道质量等，EKBR方案可以实现高效频谱感知，并且在数据传输速率和感知代价之间获取良好的折中。 而且，当网络中数据包或数据帧的时延受到严格限制时，作者所提出的方案的优越性更加显著。 此外，作者通过absorbingMarkov chain方法对所提出的方案进行了性能分析。 Chou等人在文献50中提出一种proactive感知算法，并且非自适应和随机地选择感知周期。 但是，作者并没有考虑怎样使发现的频谱机会最大化。 1.2.3频谱接入协议在频谱接入协议方面，文献45,46,51提出了用于自组织无线网络的多信道MAC层协议，该协议采用了跨层设计技术，结合了物理层的频谱感知和MAC层数据包调度，以达到最优的频谱利用效率。 对认知多信道MAC协议的设计，每个非授权通信设备要装备两套无线收发机。 第一个收发机工作在专用的控制信道，非授权通信设备通过这个信道交换控制信息，这个信道采用基于竞争的信道接入机制。 第二个收发机装备了软件无线电模块，可在多个信道中选择信道进行感知和数据的收发。 文献52提出了一种全双工的多信道MAC协议，该协议要求每个DSA电台（非授权电台）装备两个收发机，一个用于接收信息，一个用于发送信息。 每个DSA电台要选择一个归属信道，并将接收机调至该归属信道。 文献53提出了一种称为动态开放频谱共享（dynamic openspectrum sharing，DOSS）的MAC层协议，该协议使用了控制信道、数据信道和忙音（busy-tone）信道共三个信道。 文献54研究了分布式多信道认知MAC协议。 该协议通过捆绑多个信道来提高数据传输速率并试图取消专用的控制信道，并使用动态聚集信道作为控制信道来传输诸如资源预留、静默周期同步等信息。 文献55研究了多信道环境下的信道选择问题，定义了信道选择和切换时的回报函数，根据回报函数的最优化来确定信道的选择。 文献56中研究了无线通信系统中的频谱资源利用的有效性。 作者假定授权网络为GSM蜂窝网络，认知网络为ad-hoc网络，然后提出了一种自组织的认知系统MAC协议（AS-MAC），该协议是利用一种主动的基于时隙的信道接入方案。 另外一些协议针对具体的授权用户特征进行了设计，其中最典型的是IEEE802.22标准草案针对电视授权用户的特点，设计了相应的MAC协议，支持静默周期同步、合作频谱感知、导标协议等一系列功能57。 8华中科技大学博士学位论文?图1.5论文研究内容示意图1.3论文的研究内容和结构安排如前文所述，频谱匮乏问题是新的无线业务所面临的一个重要的问题，而动态频谱接入是解决这一问题的有效方案之一。 本文将动态频谱接入应用于不同的网络环境（包括传统蜂窝网、高速移动车载网、以及智能电网），通过合理利用已有的资源（包括非授权用户感知节点资源、高速列车速度、方向、位置资源、以及历史感知结果资源），研究了这些网络环境中动态频谱感知接入的调度策略，如图1.5所示。 论文的主要研究内容和组织结构安排如下第2章主要介绍了动态频谱接入系统框架，以及实现动态频谱接入所面临的挑战，重点介绍了基于能量检测的频谱感知方法，为后面的章节提供理论依据。 第3章在基于动态频谱接入的蜂窝网中，研究了非授权用户自适应协作感知调度机制，在有限的时间内，获得更多的空闲频谱资源。 构建了一种新的MAC层感知框架；基于序贯概率比检测（sequentialprobabilityratiotest，SPRT）技术，提出一种新的多个非授权用户在多个时隙间的协作感知策略。 在该策略中，我们有效的利用非授权用户资源，进行频谱感知，从而在有限时间内获得更多的空闲频谱资源。 随后，我们将所提出的策略建模为一个数学优化问题，并根据动态规划理论求出该问题的最优解。 第4章在基于动态频谱接入的高速移动车载网中，研究了如何设计高效的频谱感知调度策略，使得空闲频谱利用率最大化。 提出了基于动态频谱接入的高速车载通信网（dynamicspectrumaessbasedhighspeedvehicle work,DSA-HSVN）架构。 在所提出的架构中，根据非授权基站的调度，高速车辆可以在电视广播信道上选择合适的频谱机会进行感知和接入，同时对电视广播用户不造成干扰，并且高速9华中科技大学博士学位论文车辆之间也不形成干扰。 我们将频谱资源的感知调度与接入建模成一个优化问题，使得能够被DSA-HSVN真正利用起来的空闲频谱资源最大化。 我们还研究了如何通过分组计算降低求解最优感知接入策略的复杂度。 并且，我们基于分支定界法，求得最优感知接入策略，并基于线性规划理论，求得具有更低复杂度的次优感知接入策略。 第5章在基于动态频谱接入的智能电网中，研究了频谱感知接入调度策略对电网负载重塑机制的影响。 首先，我们提出一种新的负载重塑机制，其适用于使用能量存储设备（例如电池）的智能电网。 在这个机制中，电力公司通过动态频谱接入通信技术获取所有电力消费者的负载信息。 然后，根据负载信息，电力公司通过我们提出的动态定价策略确定电力价格，从而激励电力消费者合理地使用能量存储设备，使得总的电网负载峰值降低、谷值提高，同时，所有电力消费者的用电体验度保持不变。 基于所提出的负载重塑机制和动态定价策略，每个电力消费者能够独立地自行决策具体用电策略。 换言之，电力消费者的具体用电策略可以以分布式的方式进行决策。 在基于动态频谱接入的通信模块中，我们提出两种适用于不同环境的频谱感知调度策略，并分析了其对所提出的负载重塑机制性能的影响。 第6章对全文进行总结，并提出了开展下一步工作的建议。 10华中科技大学博士学位论文2动态频谱接入基本理论2.1动态频谱接入系统架构在动态频谱接入系统中，必须对非授权用户进行高效管理，使得非授权用户能够灵活接入空闲的授权频谱，提高频谱利用率。 通常有三种基本的动态频谱接入系统架构58集中式架构（centralized architecture）、分布式架构（distributedarchitecture）、以及自主式架构（autonomous architecture）。 下面我们详细介绍这三种架构。 2.1.1集中式架构在集中式架构中，所有非授权用户的动态频谱接入都由一个控制中心（通常称为频谱代理机构）集中管理。 用于非授权用户动态接入的频谱可以是管理机构专门划分的频谱（例如ISM频段），也可以是通过频谱感知发现的、空闲的已授权频谱（例如广播电视频段和GSM频段）。 控制中心通过一个专用信道，与网络中的非授权用户进行信息交互，集中管理可用的空闲频谱，即决定哪些频谱是可用的，以及被哪些非授权用户使用。 在本论文考虑的基于动态频谱接入的智能电网中，我们采用了集中式的动态频谱接入架构。 具体而言，在基于动态频谱接入的智能电网中，控制中心直接进行频谱感知，搜集空闲的授权频谱，并分配给电力消费者使用。 2.1.2分布式架构在分布式架构中，所有非授权用户共同进行频谱感知，确定可用频谱，并通过协商接入频谱进行通信。 通常，分布式架构可以进一步分为两种模式集中模式和非集中模式。 在集中模式中，动态频谱接入系统中包含一个非授权基站，以及多个非授权用户。 非授权基站和非授权用户一起进行频谱感知，确定可以使用的空闲频谱。 在本论文考虑的其他两种应用场景中，都采用了这种动态频谱接入架构。 具体而言，在基于动态频谱接入的蜂窝网中，非授权用户进行频谱感知，并将感知数据发送给非授权基站，由非授权基站进行数据融合，判决出可供非授权用户动态接入的空闲频11华中科技大学博士学位论文谱。 在基于动态频谱接入的高速移动车载网中，高速车辆将行驶速度、行驶方向、以及频谱要求发送给控制中心，由控制中心经过基于高速车辆地理位置的整体优化，调度高速车辆感知接入合适的授权信道。 在非集中模式中，多个非授权用户组成一组，共同协调频谱感知和通信。 组内所有成员通过控制信道相互协调，一起管理可用的频谱资源。 2.1.3自主式架构在自主式架构中，所有非授权用户独立进行频谱感知，确定可用频谱，并对发射信号进行优化，以便同授权用户和其他非授权用户共存。 美国Defense AdvancedResearchProject Agency（DARPA）的XG（Next Generation）项目是采用自主式架构的动态频谱接入系统的一个典型例子。 2.2动态频谱接入的技术挑战非授权用户要发掘可用的频谱机会，实现动态频谱接入，面临着很多挑战。 第一个基本的挑战是如何准确获得可用的频谱机会，使得非授权用户利用这些频谱机会进行通信时不会对相应的授权用户造成有害干扰。 第二个挑战是不同的非授权系统如何协调使用共同的可用空闲频谱。 第三个挑战是如何高效的利用频谱机会，并且保证非授权用户通信的QoS性能。 下面详细讨论所面临的三个挑战。 2.2.1确定空闲频谱为了保证非授权用户不对授权用户造成有害干扰，非授权用户需要准确确定可用的频谱机会，这是非常具有挑战性的问题。 不同类型的授权用户具有不同的感知灵敏度和感知速度要求。 通常，非授权用户发射机的感知灵敏度必须高于授权用户的接收机，以便降低动态频谱接入中的隐藏终端问题所带来的负面影响。 FCC提出了三种感知电视频段的方案，包括?通过被动频谱感知确定电视信号是否存在，也称为“先感知后通信”原则（listen-before-talk）。 能量检测技术是这种方案经常采用的感知技术之一，也是本论文所采用的感知技术，我们将在第2.3.3节详细介绍能量检测技术的基本原理；?通过GPS或其他技术（例如数据库）的协助，基于地理信息确定非授权用户附近是否存在