【正文】 面要能夠充分 利用頻譜資源以確保通信質(zhì)量的高可靠性。要實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的最終目標(biāo)，認(rèn)知無線電必須具備三個(gè)主要功能：頻譜感知與頻譜分析、頻譜管理與頻譜切換、頻譜分配與頻譜共享。 圖 13 所示的認(rèn)知無線電的認(rèn)知循環(huán)圖描述了各功能模塊間的有機(jī)結(jié)合。 頻 譜 檢 測(cè) 頻 譜 感 知頻 譜 分 析無 線 環(huán) 境R F 激 勵(lì)頻 譜 空 穴 信 息R F 激 勵(lì)信 道 容 量發(fā) 射 信 號(hào)頻 譜空 穴信 息 圖 13 認(rèn)知無線電的認(rèn)知循環(huán)圖 ① 頻譜感知與頻譜分析 通過頻譜感知與頻譜分析，認(rèn)知無線電能夠掃描監(jiān)控頻段，獲取并占用頻譜空穴；當(dāng)主用戶系統(tǒng)重新使用授權(quán)頻譜時(shí)，認(rèn)知用戶能夠及時(shí)監(jiān) 測(cè)從而避免對(duì)主用戶造成干擾。 ② 頻譜管理與頻譜切換 一旦監(jiān)測(cè)到頻譜空穴，認(rèn)知無線電能夠通過頻譜管理功能選擇最優(yōu)的頻段通信。當(dāng)無線環(huán)境隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，認(rèn)知無線電能夠跟蹤該變化；如果當(dāng)前頻段重新變得不可用，認(rèn)知無線電能夠通過頻譜切換功能提供無縫傳輸。 ③ 頻譜分配與頻譜共享 通過動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)，認(rèn)知用戶能夠與主用戶或其它認(rèn)知用戶共享頻譜資源。因此，好的頻譜分配與頻譜共享策略對(duì)提高頻譜利用率至關(guān)重要。主用戶對(duì)授權(quán)頻譜的使用權(quán)擁有較高的優(yōu)先級(jí)，因此當(dāng)認(rèn)知用戶與主用戶共存于授權(quán)頻譜時(shí)，認(rèn)知用戶在主用戶系統(tǒng)處 產(chǎn)生的干擾必須受到限制或約束。此外，當(dāng)多個(gè)認(rèn)知用戶共享頻譜時(shí)，認(rèn)知用戶之間也需要頻譜共享策略來避免碰撞和干擾。 第一章 緒論 5 認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展 認(rèn)知無線電技術(shù)作為未來無線通信的一個(gè)重要發(fā)展方向，自概念提出以來一直是無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，深受世界各國無線電管理機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟等的重視。 FCC 在 20xx 年發(fā)布的報(bào)告中對(duì)頻譜資源的使用政策做出重大改變，影響深遠(yuǎn)。 20xx 年 5 月認(rèn)知無線電工作組在華盛頓成立，并于 20xx 年 3 月在美國拉斯維加斯展開第一個(gè)認(rèn)知無線電學(xué)術(shù)會(huì)議，標(biāo)志著認(rèn)知無線電技術(shù) 正式起步。DARPA 于 20xx 年成立的 XG 工作組著眼于開發(fā)認(rèn)知無線電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)，目前已完成對(duì) XG 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其各功能模塊的研究和描述。此外，美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（ Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）成立 IEEE 工作組，通過改進(jìn)媒體接入控制等機(jī)制解決全球微波互聯(lián)接入技術(shù)（ Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX）的頻譜匱乏問題，從而 確保未授權(quán)用戶之間、未授權(quán)用戶與授權(quán)用戶之間的共存。20xx 年 11 月成立的 IEEE 工作組，致力于無線區(qū)域網(wǎng)（ Wireless Regional Area Network, WRAN）空中接口的標(biāo)準(zhǔn)化，從而將認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用于電視廣播的甚高頻和超高頻（ Very High Frequency/ Ultra High Frequency, VHF/UHF）頻帶。 一些著名的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)、研究學(xué)會(huì)論壇、各相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者等也同步展開了對(duì)認(rèn)知無線電的研究，并取得了顯著的研究成果。 20xx 年 10 月在 Washington . 召開的 Cognitive Radios Conference 會(huì)議主題定位于從軟件無線電到認(rèn)知無線電、自適應(yīng)頻譜管理工具和技術(shù)、認(rèn)知無線電的頻譜政策 —— 軍事和商業(yè)要求等。 20xx 年 11 月召開的 DySPAN 會(huì)議以基于認(rèn)知無線電的動(dòng)態(tài)頻譜分配和接入技術(shù)作為會(huì)議的主要議題。 IEEE 于 20xx 年 6 月在希臘召開的首屆面向無線網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的國際認(rèn)知無線電技術(shù)大會(huì) CrownCom20xx 探討了認(rèn)知無線電所涉及的頻譜共享、租借頻段的收費(fèi)等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題。 DySPAN20xx 和WCNC20xx 以動(dòng)態(tài)頻 譜接入和認(rèn)知無線電技術(shù)為專題，繼續(xù)展開對(duì)認(rèn)知無線電頻譜共享技術(shù)的研究和討論。 20xx 年 IEEE 通信選題雜志 JSAC 從博弈論、馬爾科夫鏈、容量分析、軟硬件平臺(tái)、市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)等方面對(duì)認(rèn)知無線電技術(shù)進(jìn)行了綜述性討論。近期， EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking南京師范大學(xué)泰州學(xué)院本科生畢業(yè)論文 6 又從信息理論、信號(hào)處理、博弈論、協(xié)作通信、資源分配等角度對(duì)認(rèn)知無線電通信系統(tǒng)中的干擾管理問題進(jìn)行討論和研究。 認(rèn)知無線電技術(shù)是無線電發(fā)展歷程中的一個(gè)新的里程碑，其發(fā)展應(yīng)用必定會(huì)給整個(gè)通信 行業(yè)帶來新的發(fā)展契機(jī)。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在以下幾個(gè)方面： ① 出租網(wǎng)絡(luò)（ Leased work） ② 認(rèn)知網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（ Cognitive mesh work） ③ 應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)（ Emergency work） ④ 軍方網(wǎng)絡(luò)（ Military work） 本文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本文主要針對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的累加干擾展開分析和研究 ， 通過二維極坐標(biāo)建立主用戶接收機(jī)處的累加干擾模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模 型分析影響累加干擾的主要因素，并據(jù)此給出降低累加干擾的合理建議。 本文內(nèi)容具體安排 如下： 第一章，主要寫認(rèn)知無線電的概念、特點(diǎn)、功能及認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展； 第二章， 分析認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的累加干擾，建立數(shù)學(xué)模型，討論影響累加干擾的各種因素； 第三章， 基于帶內(nèi)頻譜感知的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾模型分析 。第二章 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾綜述 7 第二章 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾綜述 基于認(rèn)知無線電的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 作為將認(rèn)知無線電技術(shù)由概念變成現(xiàn)實(shí)的首個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn) ， IEEE WRAN 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展和演進(jìn)具有極其重要的意義。 IEEE WRAN 工作在 54MHz～ 862MHz的 VHF/UHF 頻段中的 TV信道， WRAN 認(rèn)知設(shè)備可以自動(dòng)檢測(cè) TVWS 頻譜資源并加以利用，因此可與電視、無線麥克風(fēng)等現(xiàn)有設(shè)備共存。 協(xié)議的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是使認(rèn)知設(shè)備在無需預(yù)先注冊(cè)的情況下使用頻譜資源，能夠在未來提供低價(jià)便捷服務(wù)。利用這一特點(diǎn)， 協(xié)議 WRAN 網(wǎng)絡(luò)可以向低人口密度的偏遠(yuǎn)地區(qū)、單家庭住宅、多戶住宅、家居辦公（ Small Office Home Office, SOHO）、小型商行和校園等提供數(shù)據(jù)、語音等寬帶業(yè)務(wù)。下面將從 WRAN 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、覆蓋區(qū)域、空中接口的分層結(jié)構(gòu)及各層功能等方 面對(duì) 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面介紹。 一、 WRAN 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? IEEE WRAN 系統(tǒng)是固定的點(diǎn)到多點(diǎn)（ Point to Multipoint, PMP）無線空中接口，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?如圖 21 所示。 WRAN 網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)基站（ Base Station, BS）和多個(gè)用戶終端（ Customer Premise Equipment, CPE）。每個(gè)小區(qū)中的所有用戶終端都受基站管理和控制。基站和用戶終端之間使用 IEEE 空中接口進(jìn)行通信，所有的用戶終端只有通過基站授權(quán)后才能進(jìn)行通信。 W R A N B ST V 發(fā) 射 機(jī)W R A N B SC P EC P EC P EB S : B a s e S t a t i o nC P E : C u s t o m e r P r e m i s e E q u i p m e n t 圖 21 WRAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 南京師范大學(xué)泰州學(xué)院本科生畢業(yè)論文 8 二、覆蓋范圍 基站的典型覆蓋半徑為 17km～ 30km，最大可達(dá) 100km，即使在目前有效全向輻射功率（ Effective Isotropic Radiated Power, EIRP）為 4W 的條件下，基站的覆蓋范圍半徑也可達(dá)到 33km，是當(dāng)今覆蓋面積最大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。 WRAN 具有與非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路（ Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL）相匹敵的傳輸速率，用 戶平均下行速率為 ，平均上行速率為384kbps，平均頻譜效率為 2bps/Hz。 三、 IEEE 空中接口標(biāo)準(zhǔn) 以認(rèn)知無線電技術(shù)為基礎(chǔ)的 IEEE 空中接口最重要的特點(diǎn)是靈活性和自適應(yīng)性。 IEEE 空中接口設(shè)計(jì)了一系列物理層和 MAC 層標(biāo)準(zhǔn)，允許基站根據(jù)頻譜感知結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率、工作頻譜以及降噪機(jī)制，避免對(duì)授權(quán)用戶造成干擾。 IEEE 空中接口的協(xié)議棧及各層功能如 圖 22 所示。下面將重點(diǎn)介紹物理層和 MAC 層采用的關(guān)鍵技術(shù)。 ① 物理層的頻譜感知 E t h e r n e t I P V L a n匯 聚 子 層共 存公 共 子 層超 幀 和 幀 結(jié) 構(gòu) 控 制 頭 M A C P D U 格 式尋 址 與 連 接 公 共 I E 管 理 消 息 M A C P D U 管 理 A R Q 機(jī) 制 調(diào) 度 服 務(wù) 帶 寬 管 理 信 道 描 述 管 理 爭 用 解 決 P H Y 支 持初 始 化 與 網(wǎng) 絡(luò) 發(fā) 現(xiàn) 測(cè) 距 Q o S鑒 權(quán) 授 權(quán) D o S 攻 擊 防 護(hù)安 全 子 層數(shù) 據(jù) 加 密定 位頻 譜 感 知O F D M 符 號(hào) 描 述 子 載 波 分 配 數(shù) 據(jù) 速 率 信 道 編 碼 星 座 映 射 與 調(diào) 制 C B P 包 格 式 基 站 要 求 控 制 機(jī) 制 網(wǎng) 絡(luò) 同 步 C P E 收 發(fā) 天 線 R F m a s kM A CP H Y 圖 22 空中接口的協(xié)議棧及各層功能 物理層的頻譜感知引入頻譜感知函數(shù)模塊，該函數(shù)輸入變量來自頻譜管理模塊，包括信道數(shù)目、信道帶寬、信號(hào)類型向量、感知窗口向量、感知模式、第二章 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾綜述 9 最大虛警概率等；輸出變量返回頻譜管理模塊，包括感知模式、信號(hào)類型向量、信號(hào)存在向量、可信程度向量、場(chǎng)強(qiáng)估計(jì)向量、錯(cuò)誤方差向量等。 物理層的頻譜感知采用兩階段的頻譜感知機(jī)制。粗檢（ coarse sensing）階段采用單一的感知方法（如能量檢測(cè)、導(dǎo)頻信號(hào)能量檢測(cè)等），快速確定候選信道，強(qiáng) 調(diào)感知時(shí)間；細(xì)檢（ fine sensing）階段針對(duì)粗檢得出的候選信道，感知較弱的信號(hào)，獲知候選信道的詳細(xì)信息，從而確定候選信道無授權(quán)信號(hào)，確保對(duì)主用戶無干擾。 ② 物理層的定位 為了確保各通信鏈路不對(duì)主用戶造成有害干擾， WRAN 系統(tǒng)必須能夠確定基站和用戶終端間的具體地理位置、以及 WRAN 系統(tǒng)與主用戶系統(tǒng)之間的相對(duì)位置。通過在物理層采用衛(wèi)星式定位的方法可以實(shí)現(xiàn)定位功能；此外，也可以在 MAC 層利用測(cè)距信息和共存信標(biāo)協(xié)議（ Coexistence Beacon Protocol, CBP）來確定基站和用戶終端、各 用戶終端之間的距離，并繪制出相應(yīng)的地理位置圖。 ③ 共存 共存問題包括 WRAN 系統(tǒng)與授權(quán)用戶的共存、以及 WRAN 系統(tǒng)之間的共存。 與授權(quán)用戶的共存問題對(duì) 系統(tǒng)而言至關(guān)重要，包括授權(quán)用戶的感知、授權(quán)用戶通告、授權(quán)檢測(cè)恢復(fù)等一系列機(jī)制。授權(quán)用戶感知通過在工作信道內(nèi)采用兩段式感知機(jī)制，實(shí)現(xiàn)授權(quán)用戶的快速感知、 QoS 要求的精確保證。授權(quán)用戶通告機(jī)制保證在感知授權(quán)用戶之后，及時(shí)通知基站感知報(bào)告。授權(quán)檢測(cè)恢復(fù)機(jī)制中，基站通過運(yùn)行 IDRP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作模式的快速恢復(fù)，將系統(tǒng)性能惡化的可能性降為最低。 認(rèn)知 系統(tǒng)間的共存有兩種解決方法，一種是共存信標(biāo)協(xié)議，一種是基站間（ interBS）通信。共存信標(biāo)協(xié)議有兩種工作模式，即主動(dòng)模式和被動(dòng)模式；基站間通信只是被動(dòng)監(jiān)聽，僅能得到有限信息。 ④ 頻譜管理 為了有效地管理信道， IEEE 定義了 4 個(gè)不同的信道集合：工作信道集、候選信道集、占用信道集、空集。工作信道集為 WRAN 系統(tǒng)正在使用的信道集合，對(duì)于支持多信道的情況，工作信道集又分為動(dòng)態(tài)集 1 和動(dòng)態(tài)集 2，分南京師范大學(xué)泰州學(xué)院本科生畢業(yè)論文 10 別為用戶終端和基站工作所在的信道；候選信道集為某個(gè)用戶終端或基站可用的一組空閑信道；占用信道集為某個(gè)用戶 終端發(fā)現(xiàn)的被主用戶占用的一組信道；其余不在上述集合中的信道即為空集。 IEEE 根據(jù)感知結(jié)果進(jìn)行各信道間的切換。一旦工作信道內(nèi)出現(xiàn)授權(quán)用戶， WRAN 系統(tǒng)將迅速推出授權(quán)用戶信道，工作信道轉(zhuǎn)化為占用信道；一旦授權(quán)用戶釋放了占用信道，該信道就可以轉(zhuǎn)化為候選信道或其它類型的信道，為認(rèn)知系統(tǒng)服務(wù)。通過信道管理消息（如信道切換請(qǐng)求 /響應(yīng)、信道中止請(qǐng)求 /響應(yīng)等）的傳遞， WRAN 對(duì)系統(tǒng)中的信道進(jìn)行高效、穩(wěn)健的管理，從而實(shí)現(xiàn)主用戶和認(rèn)知用戶的共存。 ⑤ 頻譜禮儀規(guī)則 為了避免對(duì)相鄰小區(qū)造成干擾或者使干擾最小， IEEE 制定相應(yīng)的頻譜禮儀規(guī)則，對(duì)基站間的資源共享進(jìn)行規(guī)范。當(dāng)工作信道出現(xiàn)授權(quán)用戶、信道需求量發(fā)生變化、相鄰小區(qū)請(qǐng)求租用信道等事件發(fā)生時(shí)，頻譜禮儀機(jī)制將被觸發(fā)， WRAN 根據(jù)頻譜禮儀機(jī)制對(duì)信道進(jìn)行重新選擇和更新。 除了以上關(guān)鍵技術(shù)， IEEE 在調(diào)制和編碼設(shè)計(jì)、傳輸功率控制、動(dòng)態(tài)頻率選擇等方面的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)都為認(rèn)知無線電無干擾的利用授權(quán)頻譜提供了高可靠性和高保證性。 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的干擾問題研究 機(jī)會(huì)頻譜接入 本文研究的認(rèn)知無線電技術(shù)都是基于頻譜共享技