【文章內(nèi)容簡介】 種以上的 功能，任意的一項(xiàng)技術(shù)也并不只在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層上進(jìn)行，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是融為一體的。 近年來，認(rèn)知無線電技術(shù)受到來自學(xué)術(shù)界人的普遍關(guān)注，許多國家的研究機(jī)構(gòu)，建立了認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并且根據(jù)頻譜使用、調(diào)制等的不同特點(diǎn)，舉出了幾項(xiàng)不同的認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，主要的構(gòu)架如下所示： （ 1） Spectrum Pooling:這種構(gòu)架是建立在頻譜池的技術(shù)上，同時(shí)結(jié)合了 OFDM 的另外的一種構(gòu)架和感知方法，即基站中心式共享頻譜架構(gòu)和ＣＲ用戶的感知方法， 并且在有主要用戶出現(xiàn)的子載波上以最大功率調(diào)制一個(gè)復(fù)雜的符號(hào)，用來實(shí)現(xiàn)資源的分配和共享 （ 2） CORVUS：采用協(xié)調(diào)的方式來實(shí)現(xiàn)主用戶的頻譜感知技術(shù)和頻譜分配技術(shù)。 （ 3） DIMSUMne：采用了兩種接入方式，統(tǒng)計(jì)復(fù)用（ SMA）和協(xié)調(diào)的接入（ CAB），很具有靈活性。 （ 4） Drive/Over Drive：是通過在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中采用通用協(xié)調(diào)信道來進(jìn)行頻譜接入的活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜的分配。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量決定了二級(jí)用戶能夠使用的頻譜的多少 ，對(duì)于是否可以在該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 OSA 的關(guān)鍵的數(shù)據(jù)量。 jCjB Tj ppt tRT *)1(* )(1 1 ?? [10]其中 R 是二級(jí)用戶傳輸速率， 1Tt 是每個(gè)時(shí)隙用來傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間， 1Bt 是表示每個(gè)時(shí)隙所持續(xù)的時(shí)間， jP 為信道 j的沒有使用的概率，由上面的公式可以看出，一個(gè)信道的吞吐量與傳輸速率和每個(gè)時(shí)間用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間和信道的空閑概率成正比，而與每個(gè)時(shí)隙的時(shí)間成反比，因此 L 個(gè)信道的總的吞吐量如下列所示 ???Lj jTT 1。吞吐量越大，表示著次要用 戶能夠使用空閑信道的幾乎越大。 認(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)頻譜接入模型 在剛開始的 無線通信系統(tǒng)對(duì)頻譜的利用是基于靜態(tài) 頻譜分配策略 的 ，無線通信系統(tǒng)只能嚴(yán)格按照頻譜的劃分， 授權(quán)用戶占用著自己的頻段 ，并 從這些頻段中挑選出最適合自己的通信通道。 這樣具有盲目性。 而認(rèn)知無線電中的動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)則能根據(jù) 頻譜被使用的 情況 ，在 合適的地點(diǎn)、 時(shí)機(jī)， 用合適 的工作方式利用一切可用信道 (包括對(duì)非授權(quán)頻段的利用 )，不僅大幅度地增加了 認(rèn)知 用戶接入頻譜的機(jī)會(huì)，而且有效地提高了信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和頻譜利用率。根據(jù) IEEE 1900． 1草案標(biāo)準(zhǔn)的 定義，動(dòng)態(tài)頻譜接入是一種可以在一定頻譜使用權(quán)限范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)地選擇工作頻譜，并利用在一定時(shí)域、空域和頻域上出現(xiàn)的頻譜11 機(jī)會(huì)進(jìn)行通信的無線電技術(shù)。簡單點(diǎn)說，動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù) [11]是針對(duì)現(xiàn)有頻譜分配策略的三個(gè)主要弊端提出的：一是固定分配；二是共享性差；三是對(duì)頻譜如何使用的嚴(yán)格限制。 在 動(dòng)態(tài) 頻譜中的 SU（二級(jí)用戶） 主要是利用頻譜利用的狀況來自適應(yīng)的調(diào)整自己的工作參數(shù)以便于介入空閑的授權(quán)的頻譜資源。對(duì)于認(rèn)知無線電來說，其是基于軟件無線電平臺(tái)的，是通過對(duì)于整個(gè)的通信環(huán)境的變化進(jìn)行探測來自適應(yīng)的調(diào)整自己的工作參數(shù)來獲取空閑 的頻譜， 后來形成了動(dòng)態(tài)頻譜接入方案，是一種 重要的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。而 動(dòng)態(tài)頻譜接入方案 的分類 分為很多種。具體的分類如下所示： Qing Zhao等人的 系統(tǒng)理論上來分類 [12] 動(dòng)態(tài) 頻譜接入大概可以分為三種類型：動(dòng)態(tài)獨(dú)享型、開放共享型和分層 接入型。 動(dòng)態(tài)獨(dú)享模型：這種模型主要是針對(duì)于固定分配和具有嚴(yán)格的頻譜限制這兩個(gè)方面的，主要是使用靜態(tài)的分配政策的基本結(jié)構(gòu)，即和之前所說的沒有很大的出路，但和靜態(tài)的分配策略的最大不同是前者更加具有靈動(dòng)性。其中動(dòng)態(tài)獨(dú)享模型具有兩個(gè)方面的技術(shù)：頻譜授權(quán)和動(dòng)態(tài)頻譜分配。頻譜授權(quán)指的就 是給授權(quán)用戶的權(quán)利，但是這個(gè)權(quán)利必須是在指定的時(shí)域和空域內(nèi)，并且信號(hào)的功率不能超過規(guī)定的功率容限。 而動(dòng)態(tài)頻譜分配則是在某些時(shí)刻能夠把無線頻譜的一部分分配給某一無線接入網(wǎng)，其他用戶不得使用，但是這種分配方法不能滿足通信過程中的突發(fā)性。 頻譜共享模型：相對(duì)于上面的獨(dú)享來說，這種模型主要是正對(duì)現(xiàn)在的頻譜共享性差的情況。所謂共享就是把頻譜向所有的用戶公開，由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把自己所感知到的頻譜信息匯總到集中控制的單元，這樣進(jìn)行匯總，再由該單元決定把頻譜分配給哪些用戶。這種頻譜可以分為分布式和集中式兩種。 分層接入模型： 這種模型如同上面的共享型一樣，主要也是針對(duì)共享性比較差的情況。但是這種模型主要是把已經(jīng)授權(quán)的頻譜拿出來共享。但這種共享也是有一定的條件的，那就是，必須在不干擾整個(gè)授權(quán)用戶的使用情況下。 2．按照 OSA特性的分類 主要可以分為空域和時(shí)域兩種的機(jī)會(huì)頻譜接入方案。 對(duì)于空域接入來說，主要是在空間中，這種接入方式主要是 SU 通過功率的控制來保證 PU 的通信質(zhì)量，從而占用空閑信道的方法。而時(shí)域比較簡便些，就是利用 PU 在空閑時(shí)候就能夠占用空閑的信道。 12 圖 26 非授權(quán)用戶的頻譜感知圖 橫縱坐 標(biāo)分別表示為時(shí)間和信道數(shù) ，表示在兩個(gè)信道中，機(jī)會(huì)主義頻譜接入中 SU 在PU 中尋找機(jī)會(huì)的圖，藍(lán)色部分表示 PU 已經(jīng)占用的，空白部分為 PU 沒有使用的部分，即SU由可能可以占用的部分， )(jSi =0表示被占用，而為 1 是表示為空。 黑 色的線指向的就是頻譜空洞，即認(rèn)知用戶可以使用的信道。 3．根據(jù)二級(jí)用戶的接入模型來分類 這種分類主要為三種：基本的二級(jí)用戶、窄帶的二級(jí)用戶和寬帶的二級(jí)用戶。從字面上也可以看出，基本的二級(jí)用戶模型主要就是在一個(gè)主用戶上進(jìn)行空閑頻譜的搜索來利用搜索到的可用的頻譜，即該二級(jí)用戶只有一個(gè) 主用戶的選擇，個(gè)人覺得這種模型非常的局限，不太適合需要靈活性的無線網(wǎng)絡(luò)，但是既然存在必定有其原因，某些固定的二級(jí)用戶也許并不需要太多的選擇也能夠生存下去。而窄帶的二級(jí)用戶基本的來說，主要的進(jìn)化就是窄帶的二級(jí)用戶擁有選擇性，能夠從眾多的主用戶中挑選出一個(gè)進(jìn)行頻譜的檢測等等。寬帶就是窄帶的延伸，這種模型主要試用于需要較高的寬帶要求的網(wǎng)絡(luò)中。 影響 動(dòng)態(tài)頻譜接入 性能的因素 對(duì)于 動(dòng)態(tài)頻譜接入 來說，它的總的工作流程大概如下： 13 圖 27 整體流程圖 由上圖可以看出，三個(gè)大塊感知、控制 和 發(fā)送都會(huì)影響到 整個(gè) 動(dòng)態(tài)頻譜接入 的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。所以，下面主要講講在整個(gè)的通信過程中對(duì)結(jié)果有很大影響的幾項(xiàng)。 頻譜空洞的 感知 [13] 頻譜空洞已經(jīng)在上面說到過，它已經(jīng)指定給了某一個(gè)主用戶，但是在某一個(gè)時(shí)段它并沒有使用的情況下，空出來的頻譜。對(duì)于空洞的檢測方法主要有以下的幾種： 圖 28 二級(jí)用戶的頻譜利用的整體圖 在圖 29 中呈現(xiàn)了在 n 個(gè)信道是，認(rèn)知用戶的感知和傳輸?shù)恼w過程。 黑色的為頻譜14 的感知階段，而白色的為信息的傳輸階段。 對(duì)于認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)討論過在感知技術(shù)的一些具體的檢測方法。對(duì)于認(rèn)知 無線電中的頻譜接入技術(shù)的感知方面也適用于上面所說的感知檢測方法。 圖 29二級(jí)用戶傳輸?shù)恼w過程 在感知的優(yōu)化上，前人們有非常多的努力。其實(shí) 最先提出了 優(yōu)化 感知機(jī)制的 是 Ghasemi等人，主要關(guān)注感知模式的選擇和感知參數(shù)的優(yōu)化。 CR網(wǎng)絡(luò)下，次用戶的伺機(jī)動(dòng)態(tài)接入頻譜過程通?？煽闯蓛煞N感知場景：信道搜索和信道監(jiān)視。信道搜索是指次用戶需要搜索各個(gè)信道，尋找可用于傳輸?shù)目臻e頻譜。信道監(jiān)視則是指次用戶必須周期性地檢測主用戶信號(hào)，以避免對(duì)重新出現(xiàn)的主用戶 造成干擾。檢測周期、檢測時(shí)間和搜索時(shí)間的參數(shù)如何選取，以及采用何種感知模式和信道搜索方式，才能使感知效果最優(yōu)，這都是感知機(jī)制的優(yōu)化問題。 在感知方面，主要是在認(rèn)知無線電的范圍內(nèi)，感知出能夠被自己所利用的空閑的信道，所以對(duì)于二級(jí)用戶來說，信道的吞吐量越大越穩(wěn)定越能夠給二級(jí)用戶帶來更優(yōu)良的傳輸環(huán)境。 在本論文中，主要是從 主要 用戶的保持空閑的概率和由忙碌轉(zhuǎn)化為空閑的概率來判斷整個(gè)認(rèn)識(shí)無線電的周邊環(huán)境中可用信道的 總量 。 ? 是一級(jí)用戶從忙碌轉(zhuǎn)化為空閑的概率，而 ? 是其保持空閑的概率。在 其他條件不變 的情況下，把 ? 的概率不斷的增加，相應(yīng)的 ?的值不斷的減少，通過仿真可以得到一些曲線，具體的分析在第三部分呈現(xiàn)。相對(duì)應(yīng)的把? 的值增大，也可以得出一些曲線。最后通過這個(gè)方法可以判斷出，在 ? 與 ? 的之間的差值的絕對(duì)值越來越大的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)的 吞吐量相應(yīng)的也會(huì)變大。因此，在感知信道的時(shí)候，感知 傳輸 信息 確認(rèn) 1 時(shí)隙 t 信道 1 T 0 信道 2 信道 N 15 讓感應(yīng)器感知 主要 一級(jí)用戶的轉(zhuǎn)化概率，來獲得盡可能大的概率差值，查找出最適合的信道作為備用。 整個(gè)的感知過程是在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的物理層中進(jìn)行的，在感知的時(shí)候要求感應(yīng)器必須具備很高的精確度，并且能隨時(shí)的感知頻譜。并把感受到的頻譜信息進(jìn)行反饋，以便于及時(shí)的更改相應(yīng)的參數(shù)。除了這個(gè)，還有一項(xiàng)在感知過程中很重要的是 感知周期選擇 ，周期選擇 的目標(biāo)是使頻譜機(jī)會(huì)的利用率最大。如果周期太長，那探測頻譜空洞的能力就有限，認(rèn)知用戶所獲得的吞吐量就很少。但是如果探測周期很短，這個(gè)會(huì)浪費(fèi)資源， 并且技術(shù)上比較難實(shí)現(xiàn)。 信道的選擇 在控制這塊中，主要就是控制信道的選擇。在之前的信道接入方面，各國都有一定的研究，提出了在干擾溫度模型、學(xué)習(xí)理論以及博弈論的信道選擇的方法。但是總的來說，這些方法比較的復(fù)雜，時(shí)延會(huì)比較大。所以信道的選擇也是很重要的。 在這里，假設(shè) SU感知頻譜的結(jié)果都是正確的，主要的討論在于信道的選擇的問題。在之前的研究中，主要是隨機(jī)的選擇，這樣會(huì)產(chǎn)生一種壞的情況就是，可能在每次的選擇的時(shí)候會(huì)選中同一個(gè)信道，這樣就增加了主用戶與次用戶之間的碰撞率，這樣對(duì)于整個(gè)的無線 網(wǎng)絡(luò)是不好的。 這次的改進(jìn)，主要是在每次的選擇的時(shí)候?yàn)槊總€(gè)信道被選 中的概率做一個(gè)統(tǒng)計(jì)，首先規(guī)定感知信道在空閑的時(shí)候服從 i? 的指數(shù)分布。假設(shè)在任意的時(shí)刻二級(jí)用戶 需要傳輸?shù)臅r(shí)長為 l,那么信道 I 從初始狀態(tài)停留的時(shí)間 iX 超過 l 的概率為??? ????? l li iedxxflXP ?)(1)( i 。首先，從感知的結(jié)果中可以得知在最初時(shí)段的信道的 i? ，然后從中選出一些具有空閑狀態(tài)的信道。根據(jù)上面的公式，把 P算出來，選擇出這 個(gè)概率最大的，如果選出的有兩個(gè)及以 上的信道則任意的選擇一個(gè)就行了。然后進(jìn)行相關(guān)的發(fā)送，但是當(dāng)碰到授權(quán) 用戶時(shí)， 必須立即停止傳輸，然后重新回到第二部分去查詢空閑的信道，再繼續(xù) 開始。整體的步驟還是一樣的，主要的差距就是在發(fā)送的長度大于此用戶需要發(fā)送的信息的長度時(shí)的等待時(shí)間，主要是判斷該主信道是否有被一直抽中使用。16 圖 210 選擇的改進(jìn)信道數(shù)與碰撞效率的關(guān)系 由上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明確的看出在信道的不斷增加的情況下，有改進(jìn)的信道選擇后，主次用戶的碰撞率有很大程度的減少 。所以在信道的選擇上進(jìn)行改進(jìn)，也是能夠很 好的改善整個(gè)的通信環(huán)境的。 發(fā)送過程中的數(shù)據(jù)包長度 在探測 并找好信道后 ，需要做的就是發(fā)送信息了，除了環(huán)境的影響之外，認(rèn)知用戶所發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長短的影響也很大。下面主要討論一下在發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度上的影響[14]。 圖 211 發(fā)送包對(duì)于碰撞率的影響 [15] [15] 17 由上圖可以看出，在機(jī)會(huì)頻譜接入方案中，發(fā)送包的長度趨近于 9 的時(shí)候，主次用戶的碰撞率相應(yīng)的增大。但是從 9開始時(shí)碰撞概率機(jī)會(huì)為 1 了，也就是說，為了盡量的減少主次用戶之間的碰撞，必須在發(fā)送包上也做一些改善，才能夠讓認(rèn)知用戶能夠在不影響主要 用戶的前提下進(jìn)行通信。 另外 從圖中還可以看出 就算數(shù)據(jù)包的長度接近為零，主次用戶的碰撞概率也不可能為零 。碰撞時(shí)不可避免的。 2..6 認(rèn)知無線電的應(yīng)用 無線電的廣泛運(yùn)用，推動(dòng)了認(rèn)知無線電的高速發(fā)展。在商業(yè)上的表現(xiàn)就非常的廣泛。在限定的頻譜資源下能夠謀取更大的利潤是商人的天性。所以商人在帶動(dòng)認(rèn)知無線電的發(fā)展方面也起到了很好的促進(jìn)作用。在農(nóng)村里面，因?yàn)檗r(nóng)村需要用到的網(wǎng)絡(luò)不是很多，所以可以充分的利用這部分資源，讓高作業(yè)的頻段可以有喘息的機(jī)會(huì)。 在軍事方面，不能像其他方面利用頻譜資源一樣。因?yàn)檐娛路矫姹容^特殊，必須采 用嚴(yán)格的保密措施。所以在分給軍事的頻段必須是在不參與任何的商業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施上，通過一些參數(shù)的設(shè)置來保證通信的質(zhì)量。 還有在工業(yè)、科學(xué)或者醫(yī)療（ ISM）方面也有進(jìn)一步的發(fā)展。無論是采用動(dòng)態(tài)頻率選擇 (DFS)和發(fā)送功率控制 (TPC)機(jī)制，避免與雷達(dá)信號(hào)的干擾。還是在高速的環(huán)境下面進(jìn)行分組接入 (HSDPA)、 CDMA1x EvDO 網(wǎng)絡(luò)，采用一種認(rèn)知調(diào)制過程，通過確定用戶需要的服務(wù)，來識(shí)別用戶工作的最佳環(huán)境，從而來設(shè)定最佳的調(diào)制方案、數(shù)據(jù)速率及發(fā)送功率等等來滿足不同的用戶的 QOS 的需求，都能體現(xiàn)認(rèn)知無線電的發(fā)展。但以 上所說的這些只是 CR 極小的一部分應(yīng)用，這些技術(shù)能夠按照漸進(jìn)的方式來擴(kuò)展直到實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電所承諾的全部性能。 除了上面所說的應(yīng)用，在寬帶無線通信系統(tǒng)中也有著廣泛的應(yīng)用。認(rèn)知無線電在 提高系統(tǒng)的性能和安全性 方面也起到了一定的作用。 和 5GHZ 是沒有被授權(quán)的頻譜，無線局域網(wǎng)在上面的頻段中工作，但在工作中可能會(huì)收到其他設(shè)備的干擾，所以這個(gè)時(shí)候也可以應(yīng)用認(rèn)知無線電，通過一些掃描來確定比較適合的信道供應(yīng)無線局域網(wǎng)的使用。 從而可以盡快地發(fā)現(xiàn)非法的惡意攻擊終端。 18 3. 基于 POMDP 的 機(jī)會(huì)頻譜接入 算法 POMDP 接入方案 的提出 隨著無限網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)越來越多的頻譜被需要，但是原來的 CR技術(shù)不夠用，所以