基于频谱空洞可信度的认知频谱分配.doc

密级：保密期限：砖章却童大警硕士研究生学位论文学姓专导学号：鱼垒名：压明业：邀电王堂皇固体鱼王堂师：韭墓瀣院：一一电王工程堂医年月日独创性（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己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：珀型风日期：塑坠芝！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：导师签名：北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配基于频谱空洞可信度的认知频谱分配摘要无线通信系统中，现有的频谱管理与分配策略大多是基于固定频谱分配方式。这种分配方式越来越难以适应用户业务类型不断增加，以及对网络的速率和带宽的要求越来越高的趋势。面对日益紧张的频谱资源和固定频谱分配带来的频谱利用率较低的问题，认知无线电技术应运而生。认知无线电技术具有在宽频带上探测频谱空洞的能力，从用户可以在对主用户没有影响的前提下，利用其授权频谱进行通信。频谱分配的方式决定了无线网络中的频谱利用状况，对认知无线电网络的性能起着决定性作用。本文重点研究的是中心式结构的认知无线电网络，并且采用的是避免干扰的填充式方案。从用户选择对主用户干扰最小的频带进行通信，一旦主用户出现，从用户需要切换至其他空闲频谱。由于主用户的绝对优先权，从用户容易出现主从用户“碰撞”的问题。“碰撞问题产生的原因在于认知网络所利用的频谱资源又具有时间上的不稳定性和不确定性。本文着重分析了频谱空洞这种时间上的变化特性，研究发现这种变化特性主要受到不同的主系统的当前业务负载量、主用户的业务到达率和离开率等因素影响。因此本文定义了频谱空洞的可信度，分析了在从用户期望的服务时间长度内，频谱空洞时间上的特性差异，以改善频谱分配效率。通过对现有频谱分配算法的总结和分析，在频谱空洞可信度分析的基础上，借助图着色理论模型，本文提出了一种基于频谱空洞可信度的频谱分配算法。仿真结果表明算法降低了主从用户之间“碰撞的概率，并且在频谱利用率等方面也有所提高。关键词：认知无线电频谱分配碰撞问题可信度图着色，“，北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配功率控制认知无线电网络结构一国内外研究现状一典型的认知无线电网络系统认知无线电相关标准的进展情况本文的主要工作和内容安排第二章认知无线电频谱分配模型频谱分配算法分类频谱分配算法设计原则频谱分配算法介绍基于博弈论的频谱分配算法基于拍卖竞价理论的频谱分配算法基于干扰温度模型的频谱分配算法基于图着色理论的频谱分配算法本章小结一第三章系统模型和频谱空洞可信度分析问题阐述与系统模型一问题阐述系统模型频谱空洞可信度的分析频谱空洞可信度的概念北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配频谱空洞可信度分析数值分析一本章小结一第四章基于频谱空洞可信度的频谱分配算法基于图着色理论的频谱分配算法分布式贪婪算法分布式公平算法颜色敏感的图着色算法从用户业务的差异性频谱分配算法设计一仿真与分析一仿真设计流程仿真结果分析本章小结一第五章总结与展望一参考文献致谢点和现状，以及相关标准制定的进展情况等。在此基础上，阐述了论文工作的主要研究问题和研究方案，介绍了创新之处。最后，对全文论文结构和内容做出安排。研究背景在过去的几十年里，无线通信技术和互联网技术在飞速发展，无线通信的网络类型和业务类型都在不断增加，无线通信技术支持的数据传输速率也在不断提高。随着无线通信业务需求的快速增长以及用户终端数量的不断增加，目前可分配频谱资源变得越来越稀缺。特别是随着无线局域网、无线个域网等技术的飞速发展，各种数据业务及多媒体业务对带宽的需求也越来越迫切。然而，无线电频谱是一种有限的自然资源，未来无线通信市场必然会出现新的网络和服务类型，而这些新出现的服务和项目很可能面临没有足够频谱可分的状况。这种无线通信频谱资源的供需矛盾的不断加剧，成为了制约无线通信发展的瓶颈。现有研究通过改进研究物理层上的空口传输技术，例如（，正交频分复用技术）、（，多输入多输出技术）、链路自适应技术【等增加每赫兹的传输比特，来提高频谱的利用率。但是，随着付出的代价功率和复杂度的不断提高，这些方式对频谱效率的提高已经十分有限。因此，为了进一步提高频谱效率，人们开始把目标放在已分配频谱的再利用上。现有的频谱资源被划分成大小固定的频谱资源块，相互之间留有保护频带，分配给不同的系统和用户使用。这些系统和用户分别称为授权系统（）和授权用户（）。已有研刭表明，尽管大部分频段已经被分配给不同的系统，但是这些频谱资源的整体利用率并不高。如图所示，文献【】研究结果显示，在授权频段中，即便是在信号传播特性较好、需求比较紧张的到频段内，频谱的平均利用率也不到；而以上的频谱则很少被利用。此外，频段（，工业、科学与医学频段）也开始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，然而，由于多种异构网络之间的干扰，使得频段的频谱效率也不是太高。北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配二、从信号处理角度的定义在一篇邀请文章中从信号处理的角度，进一步对认知无线电给出了一个定义：“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），使其适应接收到的无线信号的统计变化。从而实现认知无线电的两个最主要的目标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。三、从频谱管理角度的定义从频谱管理的角度出发的，给出了认知无线电的狭义定义【：“认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射机参数的无线电设备。认知无线电的主体可能是软件定义无线电设备（，），但对认知无线电设备而言，不一定必须具有软件或者现场可编程的要求。认为，只要是具有自适应频谱感知能力的无线电，都可以称之为认知无线电，并且认知无线电需要高度的灵活性来适应快变的信道质量和干扰环境。综上所述，本文从网络与系统的角度研究认知无线电，综合三种定义方式，认为认知无线电是这样一种技术：首先，根据文献【，将在管理机构指派给授权用户的频谱中，某时某地未被授权用户使用的频率定义为“频谱空洞。依靠人工智能的支持，非授权用户（下文中称之为：从用户）能够在宽频带上可靠地感知频谱环境和探测授权用户（下文中称之为：主用户）的出现；其次，根据一定的学习和决策算法，从用户能够自适应地改变系统工作参数，动态占用即时可用的空闲频率（即：频谱空洞）；在整个通信过程中不给主用户带来干扰，同时避免相邻从用户之间的干扰，最终实现通信的可靠性和频率利用率的提高。一个认知无线电网络的实现过程被称为认知循环，如图所示：图本文认知循环模型北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配认知循环主要包括以下几个步骤，每个步骤都需要相应的技术解决方案：频谱检测：探测其他系统（主系统）的授权频段上的没有被主用户和其他从用户使用的频谱空洞。从用户能够分析信号，还获取频谱空洞的相关参数。频谱分析：分析获取的频谱空洞参数；为了建立通信链路，有必要估计通信双方之间的信道状态和信道容量，以确定发射的参数（发射频段、发射方向、发射功率、数据率和调制编码方式等）。频谱分配：从用户之间协调选取最佳可用频谱来满足通信要求，并且最大化整个网络的频谱利用率；避免主从用户和不同从用户之间的干扰。频谱接入：从用户通过非连续的接入频谱进行通信。必须协调不同的从用户接入不同的频谱空洞，以免用户之间发生碰撞。功率控制和频谱切换等：保证对授权用户不产生干扰，并且在检测到主用户重新出现的情况下切换到其他的信道，保证从用户通信的无缝链接。认知无线电关键技术及网络结构认知无线电网络主要关注的是机会频谱的接入，针对于此需要解决的两个关键点在于如何发现频谱空洞和利用频谱空洞。因此认知无线电网络的关键技术主要有：频谱检测技术，频谱分配技术，功率控制技术和组网技术等，下面逐一介绍。频谱检测认知无线电工作的首要条件就是探测频谱空洞，它是认知无线电成立的前提和先决条件。只有在环境认知和探测的基础上，才能够实现对空闲频谱的使用和通信。它也是后面涉及到的频谱分配、接入和功率控制等技术的基础。频谱空洞是指初始授权给主用户使用，但在特定时间和位置该用户并没有使用的频带，或使用但在当前考察地理区域中功率很低的频带。一般情况下，频谱区域可分成以下种类型：（）黑色区域：经常被主用户高发射功率的局部占用的频带。由于存在高功率的干扰，无法被从用户使用。（）灰色区域：有部分时间被低发射功率的主用户占用，从用户可根据情况在不干扰主用户的情况下占用这段频谱。（）白色区域：只有环境噪声而未被主用户使用的频带，可以被从用户使用，并且从用户可以发射较高的功率。从上面的定义中，可以看出一般情况下，白色区域和一定限度的灰色区域可被发起业务的从用户使用。在认知无线电系统中，频谱空穴检测的可靠性对于系统的设计和实现是非常重要的。频谱检测需要从用户对很宽频段上的频谱进行探测，并北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配分析判断能够被使用的频谱空洞以及重新出现的主用户。由于从用户相比主用户具有更低的频谱接入优先权，为了不对主用户造成有害干扰，认知网络通过交换和融合不同认知无线电顶点的本地感知信息，提高辨识的可靠性。检测过程中需要有效地避免“隐藏终端等问题。一般来说，认知无线电频谱感知技术可以分为基于发射机的检测（为非合作检测）、合作检测、基于干扰的检测和基于接收机的检测这几大类。分类方法如图所示：图认知无线电频谱检测方法分类一、传输端检测（非合作式检测）传输端检测是指从用户通过对某个频段上主用户传输端的弱信号的检测，来判断此频段是否为空闲频谱。通常有三种方案用来进行传输端检测；匹配滤波器检测（）、能量检澳（）和周期平稳特征检澳（）。一般来说，由于从用户通常不知道主用户接收端的位置信息，从用户只能依靠局部观测到的主用户传输端的微弱信号来判断主用户的存在。这些检测性能会随着多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，因此这些检测方法逐渐被新的合作式检测方法代替。二、合作检测为了解决“隐终端问题，从用户还需要获得其他从用户的感知信息。合作检测方法中，从用户通过综合多个从用户的感知信息来检测。用户合作检测方法有集中式和分布式两种。在集中式检测通过认知网络的中心控制节点基站收集所有从用户的感知信息，然后分析出可用的空闲频谱【】。分布式检测则只需要在从用户之间相互交换感知信息。合作检测方法虽然检测性能更准确，但是需要额外的设计并且信令负载也会增加，容易加重网络负载。三、基于干扰的检测这种检测方法是提出的一种测量干扰的新模型，即“干扰温度模型【。但是这种方法仍然存在争议性，由于现有的无线通信系统普遍具有动态的功率控制功能，非授权用户可以共享工作的机会很小，其具体实现仍然存在着很多困难。综上所述，各种频谱感知方法都各有优缺点，并没有一个完善的方法能够完全北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配精确检测，这一问题仍将是今后研究的热点和难点。频谱分析认知无线电网络中的从用户检测到的空闲频谱包括授权频谱和非授权频谱两种类型。空闲频谱的工作频率和带宽各不相同，而主用户的进行业务的状况、从用户所处的射频环境都影响了频谱被从用户使用的效果。因此，定义了如下的参数来描述空闲频谱的特征：（）干扰：从主用户的接收机的干扰余量决定了从用户能够发射的最大功率。不同的频谱空洞的干扰情况决定了从用户所能得到的最大信道容量。（）路径损耗：空闲频谱的频率越高，路径损耗也会越高，因此在从用户发射功率不变的情况下，使用较高频率进行传输的范围比较低频率要有所缩小。而如果认知无线电通过提高发射功率来弥补路径损耗，将会增加对主用户的干扰。（）链路层延迟：不同的空闲频谱带来的干扰、路径损耗各不相同，为解决不同的干扰、路径损耗和链路错误，需要不同类型的链路层协议，这会导致链路层数据包的传输延迟不同。（）占用时间：占用时间是指一个认知无线电用户持续地占有一段空闲频谱的时间。主用户的活动会影响认知无线电用户使用信道的质量，认知无线电用户占用频段的时间越长，其接受的服务质量就越好。影响这一参数的主要原因和授权用户的类型有很大关系。（）信道容量：信道容量可以从上述参数中推导。通常接收端的信噪比可以用来进行信道容量的估计。然而在认知无线电中，只考虑到了认知终端本地的观测情况，并不包括对主用户的干扰。认知网络中信道容量的估计也应当考虑对主用户接收端所造成的干扰。此外，干扰温度的上限限制了认知用户可能使用的最大发射功率。因此，在计算认知网络中空闲频谱的信道容量时，利用了干扰温度模型来实现。文献】提出了一种频谱容量估计的方法，这种方法考虑到了带宽和可允许的传输功率。相应的，频谱容量可以按照下面公式进行估计，即（南）公式（）式中，是频谱宽度，是认知用户接收端的信号功率，是接收端噪声功率，是由授权用户发射端在认知无线电接收端的干扰。有研究进一步提出了基于的认知无线电的信道容量测量方法【。估算频谱容量的公式为曲蚺警）公加）式中，是未被使用的频段的集合，（）是在频率的信道增益，、分别是北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配单位频率的信号和噪声。关于频谱分析的研究工作较多集中在频谱容量的估计上。但是其他因素如延迟、错误率、占用时间等同样对服务质量有很大的影响。并且，频谱容量与干扰水平和路径损耗等因素都有关。但是，目前还没有一个完整的从用户网络的频谱分析模型，综合分析不同的因素的影响，以及不同频谱参数之间的关系。频谱分配在无线蜂窝移动通信系统中，信道分配技术主要有三类：固定信道分配（，）、动态频谱分配（，）以及混合信道分配（，）。的优点是信道管理容易，信道间干扰易于控制，缺点是信道无法最大化利用，频谱信道效率低。而且各接入系统间的流量无法统一控制从而会造成频谱浪费。动态频谱分配根据无线电系统的实际业务量，动态地分配频谱资源给该系统，以避免业务量不均匀带来的负载不均匀，产生频谱资源的浪费。通常将算法分为两类集中式和分布式。集中式一般由移动通信网络的高层无线网络控制器（，）收集基站（，），和移动终端（）的信道分配信息。分布式则由本地终端决定信道资源的分配，这样可以大大减少控制的复杂性。但是，该分配方式需要对系统的状态有很好的了解。混合信道分配综合了固定信道分配和动态信道分配方法，即每个小区分配一组固定的信道，另一组信道储备用于灵活的动态信道分配。预定的分配方法依赖于己知的业务方式的改变，这些灵活的信道分给那些预定的小区以解决那些业务方式的可预见的变化。由于认知无线电网络中用户对带宽的需求、可用频谱资源的数量和位置都是随时间不断变化的，传统无线系统中的动态频谱分配方法并不完全适用。因此，必须根据认知无线电网络的自身特点设计新的动态频谱分配算法。目前，认知无线电网络的频谱分配算法的研究主要基于频谱池（）思，想。频谱池的基本思想是将一部分分配给不同业务的零散频谱整合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认知无线电动态频谱分配策略是以最大化信道利用率为主要目标，同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。根据认知网络的结构不同和使用的理论模型不同，已经有不同的动态分配模型，基于的主要研究理论基础包括图着色理论、博弈论与微观经济学理论。图着色理论是将频谱分配问题建模为图论中的图着色问题模型。博弈论将认知用户间的行为构建为一个博弈模型，适用于分析认知无线电系统各用户竞争频谱的分布式行为，各北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配用户根据自己获得的信息单独进行决策。微观经济学是利用其拍卖理论实现频谱租赁】。具体的频谱分配模型及算法将在第二章中介绍和分析。频谱切换在无线通信系统中，当处于服务进行状态的移动终端从一个小区移动到另一个小区时，为了使用户服务不中断，无线网络控制系统通常会启动切换过程（将与原服务小区的连接信道释放，并与新的服务小区建立连接信道）来保证移动台的业务传输。切换是保证用户在无线通信网络中实现自由移动的必不可少的方法。切换不仅影响着小区边界处的呼叫服务质量，还与网络的负载情况有着紧密的联系。也就是说，无线资源的使用情况与用户的切换过程相互影响。如果切换过程没有顺利完成，很可能造成小区的业务量超载或移动终端的“掉话一现象，使网络性能和服务质量大大下降。在认知无线电系统中，切换指的是用户在认知频率间切换的过程。主用户对频谱的使用随时间变化，以及主用户自身的移动性，导致频谱空洞也会随着时间的改变而不断变化，空闲的频率不断变化。因此，从用户必须根据由频谱检测得到的频谱空洞信息实时地调整和选择空闲频谱。当出现以下三种情况时，从用户则会发生频谱切换：（）当主用户出现，并与当前从用户的工作频段冲突时，主从用户之间发生“碰撞，从用户优先级较低，必须让出频段，再寻找其他新的空闲信道进行通信；（）如果从用户从一个地方移动到另一个地方，则相应的可用频谱空洞产生变化。从用户会因为这种变化而进行频谱切换，避免对其他用户产生干扰；（）若当前通信信道的质量变差时，从用户的通信质量无法得到满足，那么需要切换到质量更好的信道。当然还有一些其他的原因也会导致从用户的频率间切换。频谱切换也包括主系统中主用户的切换过程，它与传统的移动通信系统切换过程基本相同。一般情况下，从用户不会抢占主用户的正在工作的频段，所以主用户不会因从用户的来临而发生频谱切换，但会因链路质量降低或位置变化等因素发生切换。在频谱切换过程中，不同层的协议必须能够快速适应新的工作频率的信道参数，并且能够保证从用户感受不到频谱变化。当认知无线电改变它的工作频率的时候，网络协议将从一种工作状态变换成另外一种，因此需要设计一种频谱移动性管理协议以确保网络状态尽可能快地、平滑地进行。确保在频谱切换过程中保证用户的业务性能损失在用户能够容忍的范围以内，并适应多种类型的应用业务。功率控制采用认知无线电技术实现频谱共享的前提是必须保证对授权用户不造成干扰，北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配因此，相对于传统的无线网络中的功率控制技术来说，认知无线电网络需要探索适用于认知无线电技术的分布式功率控制方法，避免从用户的功率对主系统造成干扰。功率控制的功能主要在发射端实现，接收端把检测到的信道特征反馈到发射端由发射端通过某些策略来实现功率控制。对于两个用户（单个认知从用户与主用户）共享频谱的情况，一般把测量到的授权用户接收机信号的本地信噪（，）近似为从用户与授权主用户间的距离，从而相应地调整从用户的发射功率。对于既存在合作又存在竞争的多用户认知无线电系统，为了避免多个用户之间的冲突，一般主要应用信息论和对策论来解决其功率控制的难题。基于信息论的反复注水法，主要原理是使发射端在增益较多的子信道上分配更多的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分配能量，从而在整体上充分利用现有资源，达到最大传输容量。多用户认知无线电系统的功率控制问题也可以利用博弈论分析，可以划分为合作对策和非合作对策两种情况。当不考虑竞争现象时，就是合作对策；当用博弈论方法研究每个用户最大化自己的效用时，功率控制问题即为一个非合作对策。认知无线电网络结构认知无线电网络结构可以分为三种类型：集中式控制网络结构，分布式控制网络结构和混合式网络结构。三种不同的网络结构类型如图所示：从）集中式网络结构（）分布式式网络结构（）混合式网络结构图认知无线电网络结构集中式控制网络结构指让某个中心服务器根据全局信息来计算和执行整个从系统网络的空闲频谱分配。从用户单独进行频谱感知获取频谱信息后，将其发送到中心服务器，由中心服务器根据频谱信息，通过一定的算法设计进行空闲频谱分配。但是，由于控制信道和控制信令数量大，对控制中心的要求比较高。工作组所研究的网络就是一种集中式控制网络结构。其中所有认知终端节点，即用户端设备（，）的功能和地位相等，均由一个基站控制器控制（，）和负责通信。为了检测主用户，基站周期性地广播检测帧。在这个检测帧期间，移动终端进行探测周围的空闲频谱，并将自己获北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配得的信息发送到控制器。当主用户出现时，移动终端在主用户出现的子信道上以最大能量发射一个信号，通过这种方式，基站在主用户出现的所有子信道上收到一个放大的信号，从而准确地判断出主用户的出现。另外，因为使用传统的层传输感知信息过程时间花费较多，为了提高感知速度，系统设计了一个加速协议（）。但是，由于不同从用户感知到的信息可能会互不相同，甚至互相矛盾，这将从而导致从用户之间的行为互相冲突，系统性能会降低。而如果存在恶意从用户，则不仅降低系统性能，而且会对主用户产生干扰。分布式网络结构则不存在中心服务器，因此网络拓扑灵活，建网迅速。节点间通信以单跳或多跳的方式进行，并且网络中每个从用户根据自己获取的频谱信息判断空闲频谱是否可用。采用分布式网络架构的网络有：网络和网络。分布式结构中，不同的从用户之间无法通行，协调相对困难，这可能导致认知无线电之间的行为互相冲突，从而降低系统性能。在混合式网络结构中，基站作为小区的中心控制器和区外通信的转发与接入点，从用户既可以和基站也可以和相邻从用户直接通信。混合式网络架构灵活，但是对网络的控制功能要求相对较强。采用混合式网络结构的系统有：网络和认知网络。以网络为例【钔，其网络结构如图所示。系统的网络架构包括授权网络与网络本身，为双模（）频谱共享框架，它允许用户进行协调并接入现有网络。在网络中，主要包括从用户、从系统基站及频谱经纪人（或调度服务器）。从用户和从系统基站都具备共享授权频谱的能力，而频谱经纪人是一个中心控制实体。它将现有网络（如电视广播网络、蜂窝通信网络等）定义为授权网络，现有网络中的用户具有接入其系统所属授权频谱的绝对优先级，而从网络定义为没有获得授权频段的网络（如认知网络、动态频谱接入网络、非授权网络等）。实现不同网络之间的频谱资源共享。图系统的网络架构对于资源受限的网络，如传感器网络和网络来说，则更适合使用基于规北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配则的、以用户终端为中心的分布式频谱分配策略。而对于已具有部分控制中心的功能的大部分的无线通信系统，采用具有控制中心的集中式网络结构或者混合式网络比较方便，控制中心的功能可以由基站实现。控制中心实现频谱的分配接入等环节，能够使得从用户的终端设备无须具备复杂的功能，因而可以大大简化结构、降低成本。由于现有无线电资源中，主要是传播条件较好的的频谱被各种无线网络系统利用，而这其中以具有控制中心的蜂窝系统等无线网络类型为主。因此，本文的研究重点是具有中心式网络结构的认知无线电网络。国内外研究现状认知无线电技术由于在提高频谱使用率方面存在着巨大的潜力，从年概念的提出至今，短短十余年间，国内外频谱管理机构、标准化组织以及研究机构等已展开了深入的研究，不断推动认知无线电技术的发展并取得了一定的研究成果。下面介绍认知无线电的代表性研究成果：典型的认知无线电网络系统一、频谱池系统频谱池思想最初是由博士在文献【】中提出，德国大学的教授等人将其发展。它的应用场景主要是基于技术的无线局域网（如）和网络的频谱资源动态共享。在此系统中，所有可供使用的频谱汇聚组成一个频谱池，频谱池被划分为个带宽相同的“子信道。从用户使用技术在空闲的子信道上进行传输，而在主用户出现的子信道上不发射任何能量，从而避免对主用户产生干扰。系统是集中式网络结构，由一个从系统的基站和多个从用户移动终端组成。移动终端进行频谱感知，并将自己感知到信息汇总到基站，使用无线电礼仪规则规定各从用户选择频谱的协商机制。系统目前存在从用户间的同步比较困难等问题。二、系统（）系统是由美国加州大学分校的教授领导的研究组提出的。系统利用认知无线电技术来使用虚拟免执照频谱。在系统中，提出了用户分组的思想，由多个从用户组成从用户组（，回。同一个中的节点可以彼此间以方式通信，或者通过专用接入节点访问骨干网络。从用户组内的从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，控制信道协调组内用户的动态频谱使用。北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配三、项目是欧盟端到端重配置（）研究项目，是项目的延伸。研究通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络，如蜂窝、无线局域网、数字视频广播等融合起来，为用户、服务提供商、管理者提供更多可选服务的系统。技术起源于软件无线电（）技术，利用终端和基站等可重配置实体为基础定义网络架构。技术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。技术研究中有个关键点，包括动态网络规划管理（，）、高级频谱管理（，）和联合资源管理（，）。四、计划美国国防部高级研究计划署（捌，）于年成立了下一代通信计划（，）【，着眼于开发认知无线电的实际标准和动态信道管理，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。项目包括两个方面：一是开发提供择机（）频谱接入的技术；二是开发通过灵活的政策（）应用管理无线行为（关键方面的长期（）管理框架。其中，实现灵活的频谱分配是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计划频谱共享研究的核心。五、工作组系统美国电气电子工程师学会（，）年成立了工作组【引，目标在于开发通过认知无线电技术，以不对广播产生干扰的方式使用广播频段，实现无线区域接入网（，）的物理层和介质访问控制层技术标准。将要制定的是无线通信的物理层与层协议。系统工作于的频段上未使用的信道，工作模式为点到多点。它有一个功能相当于基站的控制中心，负责收集频谱感知信息，分析频谱使用状况，处理从用户申请和归还频谱的要求，管理从用户的通信行为。由于控制中心完成了大部分的“认知修任务，使得从用户的终端设备无须具备复杂的功能，因而可以大大简化结构，降低成本。由于电视频段是比过去的无线局域网更低的频带，因此基站设备可覆盖的范围很大，半径超过。如果此目标得以实现，总计的频带将可用于室外宽带通信。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工作组提交了提案，提案涉及物理层、介质访问控制层等多种关键技术。北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配认知无线电相关标准的进展情况目前涉及认知无线电标准制订的组织和行业联盟主要是美国电气电子工程师学会（）、国际电信联盟）和软件无线电论坛等。对于认知无线电技术的标准化推进工作比较积极，目前正在制订的与认知无线电相关的标准主要包括：、以及划等。基于标准的系统在上文中已经介绍过，下面主要介绍其它几种标准：（）标准工作组专门开发宽带固定无线技术标准（，柚，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。但是，随着系列规范的不断制订和完善，频谱资源问题成为制约技术发展的关键问题，为此，年月，专门成立了致力于解决共存问题的工作组，利用认知无线电技术使系列标准可以在免授权频段上获得应用，并降低对其他基于免授权频段服务用户的干扰。标准由所制定，致力于改进诸如策略和媒介接入控制等机制，以确保基于的免授权系统之间的共存，以及与授权用户系统之间的共存。（）标准和都只是认知无线电的简单应用，为了进一步研究认知无线电，于年成立了标准组，进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于认知无线电技术的发展及与其他无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。目前包括、正、和这个工作组。工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。主要澄清术语并且弄清各技术之间的关系，提供对技术的准确定义和对关键技术的解释，如频谱管理、政策无线电、自适应无线电、软件无线电等。目前，标准草案最新版本是版本。工作组主要为干扰和共存分析提供操作规程建议，提供分析各种无线服务共存和相互间干扰的技术指导方针。工作组主要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。提供分析软件定义无线电的软件模型以保证符合管理和操作需求的技术指导方针。工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。（）标准从表面上看，似乎不是有关认知无线电的标准。但是，协北京邮电大学硕士学位论文基于频谱空洞可信度的认知频谱分配议中的一个关键内容：动态频谱选择实际上已经属于认知无线电的范畴。为“无线局域网媒体接入控制和物理层规范，欧洲频段频谱和发射功率管理扩展协议，其修改了层标准，增强了频段的网络管理、频谱控制和传输功率管理功能，提高了信道能量测量和报告、多个管理域的信道覆盖、动态信道选择和传输功率控制机制，及其在协议中的一些定义和术语。（）是协议族中基于竞争的协议，目标是对在与其他用户共享的美国，频段中进行无线局域网通信的机制进行标准化。中定义了传输初始化的过程，确定信道状况（是否可用）的方法，检测到信道忙时重传的机制等诸多内容。此外，新的标准的设计还考虑了和其他系统的共存的机制，如同样可以工作在一频段的系统。这些机制有利于动态频谱交换的实现和其他认知无线电应用的共存问题的解决。本文的主要工作和内容安排年至今，国内各研究机构都从不同层面和角度，对认知无线电技术的可行性、认知无线电应用场景、网络架构、物理层和介质访问控制层关键技术及跨层设计等多方面技术进行了深入研究，并取得了一定的研究成果。因此，认知无线电作为前沿技术，还有更为广阔的研究空间与应用前景。认知无线电探测到可用的频谱空洞后，如何进行频谱分配以充分利用有限的频谱资源，并保证从用户的通信质量是一个关键问题。目前，已有研究机构提出了不同的认知无线电频谱分配问题分析模型，并提出了相应的频谱分配算法。分析现有的算法，我们发现频谱空洞的参数影响了频谱分配的结果。频谱空洞的特性中还存在以下问题待研究：首先是频谱空洞特征参数的差异性。对于从用户来说，频谱空洞参数除了要考虑到信噪比对用户干扰的影响以外，还应考虑到频率大小，传播环境不同，以及时间上的变化规律。其次，从用户可能利用的频谱包括自身授权频谱和免授权频谱，以及其他系统的授权频谱。不同的频谱类型，从用户的优先级不同，频谱分配算法中，必须针对不同的频谱类型设计相应的分配流程，以保证从用户的业务质量要求和系统整体性能。在信噪比、带宽及干扰条件等满足的情况下，频谱空洞随时间变化的规律对频谱分配的结果影响最大。因此，本文首先研究了不同从用户的服务时间长度差异，针对不同的服务时间长度，分析了频谱空洞的可用时间长度差异，归结为频谱空洞的可信度，然后根据频谱空洞的可信度差异和从用户业务特性差异，借助图着