【正文】 II 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中 頻譜接入方案的研究 【摘 要】 隨著無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中的各種語(yǔ)音、圖像、視頻等數(shù)字化業(yè)務(wù)大量增長(zhǎng)，導(dǎo)致有限的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的主要因素。經(jīng)過(guò) FCC研究發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)授權(quán)給現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)的頻譜在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置，即存在頻譜空洞，造成了頻譜資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為改變這種局面，人們提出了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。它能夠檢測(cè)頻譜空洞，在不對(duì)授權(quán)用戶(hù)造成干擾的前提下進(jìn)行頻譜接入，實(shí)現(xiàn)頻譜共享，從而提高頻譜利用率。 本文首先介紹了課題研究背景，然后詳細(xì)論述了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和機(jī)會(huì)頻 譜接入技術(shù)的定義、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并闡述了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)。 接著 研究 了基于 POMDP（部分可觀(guān)測(cè)馬爾科夫決策過(guò)程）的機(jī)會(huì)頻譜接入算法。并介紹了POMDP算法的三種接入方式以及對(duì)各種算法進(jìn)行仿真，比較各算法的性能。 關(guān)鍵詞： 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電 機(jī)會(huì)頻譜接入 部分可觀(guān)測(cè)馬爾科夫決策過(guò)程 算法 III The Research of the Spectrum Access in Cognitive Radio 【 Abstract】 With the increasing traffic of speech， image and video by means of wireless munications， the wireless spectrum resource is being increasingly scarce and it may hamper the development of wireless munications in the future． However, FCC(Federal Communications Commission)finds out that many spectrum bands allocated to existing wireless systems are showing different degree of idle in terms of time and space field． Therefore， researchers put forward cognitive radio technology， which is able to effectively change the current spectrum shortage situation． It senses the spectrum holes and accesses the channels without causing interference to the licensed users． In this way， we can realize spectrum sharing and improve the spectrum utilization efficiency． This thesis firstly introduces the study background． In addition， we particularly explain the definitions， characters， key techniques， applications and status quo of cognitive radio and opportunistic spectrum access(OSA) technologies． In addition， we present the structure of cognitive radio works． Then the paper mainly researches opportunistic spectrum access (OSA) algorithm based on Partially Observable Markov Decision Process (POMDP), and then introduces their access methods of POMDP algorithm as well as their simulation. Comparing the performance of the algorithm Keywords: Cognitive Radio, Opportunistic Spectrum Access, POMDP， Algorithm IV 名詞解釋 CR Cognitive Radio 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電 FCC Federal Communications Commission 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) OSA opportunistic spectrum access 機(jī)會(huì)頻譜接入 ISM Industrial, Scientific, and Medical 醫(yī)用 DFS Dynamic Frequency Selection 動(dòng)態(tài)頻率選擇 TPC Transmit Power Control 發(fā)送功率控制 HSDPA High Speed Downlink Packet Access 高速下行分組接入 SDR Software Defined Radio 軟件定義無(wú)線(xiàn)電 RKRL Radio Knowledge Representation Language 無(wú)線(xiàn)電知識(shí)描述語(yǔ)言 MAC Media Access Control 媒體接入控制 SU Secondary user 二級(jí)用戶(hù) 目錄 第一章 緒論 ........................................................ 1 ....................................... 1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的研究背景 ........................................... 1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的現(xiàn)狀 ............................................... 1 本文主要工作及論文結(jié)構(gòu) .............................................. 2 第二章 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電架構(gòu)和頻譜接入模型 .............................. 3 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的定義 .................................................... 3 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的工作模式 ................................................ 4 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中的關(guān)鍵技術(shù) .............................................. 5 頻譜感知技術(shù) ................................................... 6 自適應(yīng)功率控制技術(shù) ............................................. 8 頻譜分析技術(shù) ................................................... 8 自適應(yīng)頻譜分配技術(shù) ............................................. 9 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展 .................................................... 9 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的形成 ................................................. 9 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電動(dòng)態(tài)頻譜接入模型 .................................... 10 影響動(dòng)態(tài)頻譜接入性能的因素 ......................................... 12 頻譜空洞的感知 ................................................ 13 信道的選擇 .................................................... 15 發(fā)送過(guò)程中的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度 ........................................ 16 第三章 基于 POMDP 的機(jī)會(huì)頻譜接入算法 ............................... 18 POMDP 接入方案的提出 ............................................... 18 POMDP 模型 ......................................................... 19 充分統(tǒng)計(jì)量 .................................................... 22 收益函數(shù) ...................................................... 22 幾種 POMDP 算法 ..................................................... 23 最優(yōu)算法 ...................................................... 23 基于貪心算法的次優(yōu)策略 ........................................ 24 有檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí)的 算法 ............................................ 24 第四章 仿真過(guò)程及結(jié)果分析 ......................................... 27 無(wú)檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí)的 貪心算法性能 仿真 ..................................... 27 無(wú)檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí) 貪心算法和最優(yōu)算法性能比較的仿真 ....................... 32 存在檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí)的仿真 ............................................... 35 第五章 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜接入的總結(jié)與展望 ............................. 37 致謝 .............................................................. 39 參考文獻(xiàn) .......................................................... 391 認(rèn)知 無(wú)線(xiàn)電的 研究背景及現(xiàn)狀分析 認(rèn)知 無(wú)線(xiàn)電的研究背景 所謂的無(wú)線(xiàn)電，主要是 能夠 在自由空間里傳播的 一種電磁波，該電磁波的上額 頻率 規(guī)定 為 300GHZ 而下限的頻率是不一定的。 隨著高科技的發(fā)展 ， 各 人各處 都需要用到頻譜資源，尤其是 在無(wú)限局域網(wǎng)和 無(wú)限 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 不斷 發(fā)展 下，更多的人在使用非授權(quán)的頻譜，由于非授權(quán)的頻譜相對(duì)于授權(quán)頻譜來(lái)說(shuō)，資源本身比較少一些，這就加大了資源使用的競(jìng)爭(zhēng)性 。 另外，在授權(quán)頻譜中，頻 譜資源的使用 效率也并不高，以美國(guó)為例，在 2020 年由FCC 提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出， 很多頻段的利用率從 15%到 85%不等 [1]。 由一些資料顯示， 30~2900MHz 段的頻譜利用率，在不同的頻段的利用效率有很大的不同，普遍來(lái)說(shuō)在 3~4GHz 的頻譜 利用率只有 %， 4~5GHz 僅有 %， 0~3GHz 的平均利用率也只有 %，連頻譜利用率最高的 512MHZ~902MHZ，大概是在 25%左右。有些 頻譜的利用率幾乎為零。 絕大多數(shù)的授權(quán)頻譜的利用率呈現(xiàn)很低的狀況 [2]所以， 如何 提升頻譜的利用率是一項(xiàng)很有前景的研 究， 于是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在這種情況下被提出了。 圖 11 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的形成 過(guò)程 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電 的 現(xiàn)狀 最近幾年 ，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電也成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題，不斷的研究出新的理論和技術(shù)，從中比較具有代表性的如下所示： (Spectrum Pooling) 2 Joseph Mitola 博士和 Fiedrich Jondral教授先后 研究了頻譜池這個(gè)課題，為解決認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中的頻譜分配問(wèn)題開(kāi)創(chuàng)了一種新的路徑。 頻譜池也是動(dòng)態(tài)頻譜接入中的分層接入模型里的一種填充式頻譜共享法。 頻譜池 主要是把 不同頻段 的空閑頻譜 搜集 收集到一起， 匯總成為 一個(gè)邏輯上的池。 可以利用 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù) 來(lái)偵聽(tīng)搜集來(lái)的很廣的頻譜資源 。 2．端到端重配置 (EndtoEnd Reconfigurability,E2R) 端到端重配置 (E2R)技術(shù)起源于軟件無(wú)線(xiàn)電 (SDR)技術(shù)，利用 SDR終端和基站等可重配置實(shí)體為基礎(chǔ)定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) , 結(jié)合先進(jìn)的資源管理機(jī)制和靈活的空中接口實(shí)現(xiàn)技術(shù)，實(shí)