【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)中的覆蓋共享技術(shù)， 也即機(jī)會頻譜接入技術(shù)。機(jī)會頻譜接入技術(shù)包括三個基本模塊：頻譜機(jī)會識別、頻譜機(jī)會利用及政策法規(guī)。在機(jī)會識別模塊中，認(rèn)知無線電設(shè)備對動態(tài)變化的授權(quán)頻譜中的頻譜機(jī)會進(jìn)行精確識別、智能跟蹤；在機(jī)會利用模塊中，認(rèn)知無線電設(shè)備根據(jù)機(jī)會識別模塊提供的信息決定是否進(jìn)行傳輸、以及如何進(jìn)行傳輸；政策法規(guī)為認(rèn)知無線電與授權(quán)頻譜的共存提供政策保證。機(jī)會頻譜接入的目的是在保護(hù)主用戶不受干擾的情況下為認(rèn)知用戶提供足夠的頻譜資源。認(rèn)知用戶的性能需求和主用戶的保護(hù)需要之間的矛盾關(guān)系對頻譜機(jī)會識別、頻譜機(jī)會利用以及政策法規(guī)等提出了更高的要求 ；其中，頻譜機(jī)會識別對實現(xiàn)無干擾通信第二章 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾綜述 11 至關(guān)重要，頻譜機(jī)會的明確定義是實現(xiàn)精確識別的必要前提。 C R A C R B信 道 1r t xr r xP U TP U RP U T : 主 用 戶 發(fā) 射 機(jī)P U R : 主 用 戶 接 收 機(jī)C R A : 認(rèn) 知 用 戶 發(fā) 射 機(jī)C R B : 認(rèn) 知 用 戶 接 收 機(jī)干 擾干 擾 圖 23 頻譜機(jī)會示意圖 直觀上看，只要信道未被主用戶使用，就可以認(rèn)為該信道是認(rèn)知用戶的頻譜接入機(jī)會。事實上，考慮到主用戶和認(rèn)知用戶的地理分布，頻譜機(jī)會的概念更為復(fù)雜和豐富。 結(jié)合 圖 23，本節(jié)給出頻譜機(jī)會的示意說明。圖中 A、 B 為一對認(rèn)知用戶，發(fā)射機(jī) A 通過信道 1 向接收機(jī) B 發(fā)射信號。如果 A、 B 能夠在限制其對主用戶干擾的前提下正常通信，那么信道 1 對 A、 B 而言就 是機(jī)會頻譜；這意味著，認(rèn)知用戶接收機(jī) B 不能受到主用戶發(fā)射機(jī)的信號干擾，同時認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī) A也不能對主用戶接收機(jī)造成干擾。 為更好地分析上述場景，假設(shè)主用戶系統(tǒng)和認(rèn)知用戶系統(tǒng)具有 如圖 23 同樣的傳播特性和全方向的發(fā)射天線。此時，信道 1 為機(jī)會頻譜的必要條件， 如圖 所示：①與認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī) A 距離為 txr 的范圍內(nèi)沒有主用戶在接收信號；②與認(rèn)知用戶接收機(jī) B 距離為 rxr 范 圍內(nèi)沒有主用戶在發(fā)射信號。很明顯， txr 由認(rèn)知用戶的發(fā)射功率和主用戶的最大允許干擾決定， rxr 由主用戶的發(fā)射功率和認(rèn)知用戶的可容忍的干擾限決定。 由此可見，頻譜機(jī)會由主用戶系統(tǒng)和認(rèn)知用戶系統(tǒng)共同決定。一旦頻譜機(jī)會識別不夠精確或頻譜機(jī)會利用不夠合理，有可能發(fā)生兩種干擾：①主用戶發(fā)南京師范大學(xué)泰州學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 射機(jī)對認(rèn)知用戶接收機(jī)的干擾，②認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)對主用戶接收機(jī)的干擾。 網(wǎng)絡(luò)干擾作為提高無線通信系統(tǒng)可靠性、吞吐率和頻譜利用率的重要制約因素，一直受到研究人員的關(guān)注。現(xiàn)有的處理無線網(wǎng)絡(luò)干擾的方法主要 有三種：①通過時域或頻域的正交性來降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的干擾，如 OFDMA 技術(shù)就具有很好的抗干擾能力；②將其它用戶的干擾作為噪聲，通過提高發(fā)射信號的功率來抵抗噪聲；③提高接收機(jī)設(shè)備的精確度，如增強(qiáng)多用戶檢測技術(shù)，將其它設(shè)備的干擾降為最低。隨著認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展，研究重點又轉(zhuǎn)移到新的方向，即結(jié)合信息理論、信號處理、編碼理論、博弈理論等，通過智能地利用干擾信息或者調(diào)整認(rèn)知技術(shù)，提高無線通信系統(tǒng)的可靠性和吞吐量。下面，本章將分別介紹當(dāng)前研究中對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)兩類干擾的處理方法。 主用戶對認(rèn)知用戶的干擾 認(rèn) 知用戶在機(jī)會地接入主用戶授權(quán)頻譜時，一方面要保證不對主用戶系統(tǒng)造成難以忍受的干擾，另一方面也要保證認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的正常通信。但是，一旦認(rèn)知用戶和主用戶共存，認(rèn)知用戶的通信不可避免地會受到主用戶系統(tǒng)的干擾。 與傳統(tǒng)意義上的干擾不同，主用戶是一個先認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)存在的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，因此主用戶系統(tǒng)對認(rèn)知用戶的干擾不像高斯噪聲具有那么強(qiáng)的隨機(jī)性。相反，認(rèn)知用戶可以事先獲得主用戶系統(tǒng)的相關(guān)信息，如主用戶系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式、幀格式、載波頻率配置、調(diào)制參數(shù)、編碼參數(shù)等；通過掌握這些信息，認(rèn)知用戶可以對主用戶系統(tǒng)造成的干擾加以利用 。提出在時域利用主用戶干擾實現(xiàn)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的分布式媒體接入控制，在空域利用自適應(yīng)陣列天線對來自主用戶的干擾進(jìn)行干擾抵消。可以在認(rèn)知用戶節(jié)點配備主用戶系統(tǒng)的無線接口配置組件，從而使認(rèn)知用戶接收機(jī)能夠同時解調(diào)主用戶發(fā)射機(jī)信號和認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)信號；這樣的操作模式可以通過解調(diào)和分離干擾的方式抵消主用戶造成的干擾，為認(rèn)知用戶提供更多的可用頻譜資源。 認(rèn)知用戶對主用戶的干擾 認(rèn)知用戶采用機(jī)會頻譜接入技術(shù)占用授權(quán)頻譜的頻譜空穴，必須要保證其在授權(quán)頻譜的通信不會對主用戶系統(tǒng)造成難以忍受的網(wǎng)絡(luò)干擾。針對認(rèn)知用戶第二章 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾綜述 13 對主用戶造成的干擾，提出在認(rèn)知用戶的感知閾值中引入差值 ? ，保證在感知閾值 ?? 范圍內(nèi)的無干擾情況，從而在一定程度上解決了無線傳播效應(yīng)造成的不確定性，這種策略有效地控制了單個認(rèn)知用戶對主用戶系統(tǒng)的干擾。 但是，當(dāng)多個認(rèn)知用戶同時傳輸時，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)仍然有可能會對主用戶系統(tǒng)造成難以忍受的干擾；這種多個認(rèn)知用戶同時傳輸對主用戶系統(tǒng)所造成的干擾即為累加干擾 （ accumulative interference / interference aggregation） ，一般情況下累加干擾主要對主用戶系統(tǒng)的接收機(jī)造成影響。分析了 WRAN 網(wǎng)絡(luò)帶外（ outofband）發(fā)射信號對授權(quán)用戶所造成的累加干擾。通過建模分析指出，當(dāng)認(rèn)知無線電設(shè)備與無線麥克風(fēng)共存于 TV 頻段時，認(rèn)知無線電設(shè)備對無線麥克風(fēng)的累加干擾使得無線麥克風(fēng)通信可靠性嚴(yán)重下降。 針對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)在主用戶接收機(jī)處的累加干擾，目前主流的處理方法有兩種： ① 干擾管理 結(jié)合認(rèn)知無線電的技術(shù)特點，通過對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的累加干擾進(jìn)行智能管理，將認(rèn)知用戶對主用戶的影響降至最小 。 ② 建模分析 通過建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型，對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的累加干擾進(jìn)行理論分析，并根據(jù)分析結(jié)果對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。 無論哪種處理方法，最終的目的是通過認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知能力和重配置能力控制認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的通信行為，將認(rèn)知無線電對主用戶系統(tǒng)的干擾降至最小，從而提高無線頻譜資源的利用率。接下來，本文將對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾的分析方法進(jìn)行更深入的 介紹。 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾的分析方法 干擾管理 認(rèn)知無線電對授權(quán)頻譜的機(jī)會接入是基于頻譜感知、頻譜分析、頻譜共享等一系列 智能技術(shù)，因此，從頻域、空域、時域改進(jìn)認(rèn)知無線電技術(shù)對降低累加干擾、提高機(jī)會頻譜接入的可靠性具有非常重要的作用。 ① 頻域 南京師范大學(xué)泰州學(xué)院本科生畢業(yè)論文 14 由機(jī)會頻譜接入技術(shù)可知，認(rèn)知無線電要選擇未被主用戶使用的授權(quán)頻譜進(jìn)行通信。如果認(rèn)知無線電能夠利用更有效的方法（如信標(biāo)信號）獲得更準(zhǔn)確的頻譜信息，那么累加干擾將得到極大的抑制。 ② 空域 基于認(rèn)知用戶與主用戶接收機(jī)的位置關(guān)系，認(rèn)知無線電可以通過限制認(rèn)知用戶的發(fā)射功率，控制認(rèn)知用戶在主用戶接收機(jī)處的累加干擾。結(jié)合自適應(yīng)波束成形技術(shù)，認(rèn)知用戶可以通過控制發(fā)射功率的方向降低累加干擾。此外，采用 預(yù)測技術(shù)，認(rèn)知用戶可以尋找最優(yōu)的頻譜機(jī)會，從而避免對主用戶造成干擾。 ③ 時域 認(rèn)知用戶的頻譜感知技術(shù)也為干擾管理提供了非常重要的時域資源。認(rèn)知無線電對授權(quán)頻譜的檢測是周期性進(jìn)行的，即每 t秒的檢測周期內(nèi)檢測 t? 時間，其中參數(shù) t? 是主用戶容忍累加干擾的最長時間。根據(jù)主用戶在不同信道的業(yè)務(wù)各自的特點設(shè)定檢測周期 t 和檢測時間 t? ，能夠有效地降低主用戶與認(rèn)知用戶的碰撞，提高認(rèn)知無線電的通信質(zhì)量。 干擾管理可以從頻域、空域、時域等各個方面出發(fā)，或單獨、或綜合地改進(jìn)認(rèn)知無線電技術(shù)，有效地減小認(rèn)知無線電對主用戶系統(tǒng)的干擾，極大地提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和智能性。 建模分析 網(wǎng)絡(luò)干擾的模型化在認(rèn)知無線電通信系統(tǒng)的分析設(shè)計、干擾抵消技術(shù)的發(fā)展、電磁波發(fā)射的控制等方面具有重要的意義。干擾模型在超寬帶技術(shù)（ Ultrawideband, UWB） 與其他窄帶技術(shù)如 GSM（ Global System for Mobile Communications）、 WiFi 等共存的應(yīng)用中已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)干擾的建模方法是將網(wǎng)絡(luò)干擾作為一種噪聲。根據(jù)中心極限理論，在無中心控制的情況下多個獨立信號造成的干擾可以被看作高斯隨機(jī)過程；但是當(dāng)干擾控制中心存在時，中心極限理論將不再適用。此外，針對脈沖干擾的相關(guān)研究也提出了幾種重要的數(shù)學(xué)模型，如 Class A 模型、高斯混合模型以及穩(wěn)定模等。 與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)干擾不同，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)在主用戶接收機(jī)處產(chǎn)生的累加干擾不僅與認(rèn)知無線電系統(tǒng)的發(fā)射 功率、天線增益、路徑損耗等因素有關(guān)，也與主用戶系統(tǒng)的發(fā)射功率等因素有關(guān)。要控制認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的累加干第二章 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾綜述 15 擾，需要建立累加干擾的數(shù)學(xué)模型，通過量化分析累加干擾的影響因素，將認(rèn)知無線電技術(shù)在制度上的約束條件轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計上的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。將認(rèn)知用戶假設(shè)為具有一定功率密度的認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)海（ sea），通過建立累加干擾模型，對認(rèn)知用戶在主用戶接收機(jī)處造成的累加干擾進(jìn)行數(shù)學(xué)量化分析。采用中斷概率作為主用戶系統(tǒng) 的性能指標(biāo)，通過數(shù)學(xué)建模對平鋪技術(shù)和覆蓋技術(shù)的優(yōu)劣進(jìn)行對比分析。它 服從泊松點過程的認(rèn)知無線電系統(tǒng)在主用戶接收機(jī)造成的累加干擾服從 Gamma 分布。也通過數(shù)學(xué)建模對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾的概率密度函數(shù)以及累加干擾造成的中斷概率進(jìn)行研究。但是以上累加干擾模型均以主用戶發(fā)射機(jī)為模型的原點，而非真正的干擾發(fā)生處 —— 主用戶接收機(jī)，因此并不能直接反映認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)對主用戶接收機(jī)處累加干擾的影響。本文將在前人工作的基礎(chǔ)上建立以主用戶接收機(jī)為中心的干擾模型，從而更直接地分析認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾的影響因素。 累加干擾的數(shù)學(xué)模型必須考慮以下造成干擾的基本物理因素：①干擾源的傳輸特性，如調(diào)制方式、發(fā)射功率、同步方式等；②干擾源在網(wǎng)絡(luò) 中的空間布局；③通信介質(zhì)的傳輸特性，如路徑損耗、陰影、多徑衰落等。 ① 干擾源的傳輸特性 干擾源的傳輸特性受干擾源的控制。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶可以通過對發(fā)射功率等的智能控制降低其在主用戶接收機(jī)處的累加干擾。本文第四章將研究如何通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)理論，實現(xiàn)對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率和累加干擾的智能控制。 ② 干擾源空間分布模型 常用的干擾源空間分布模型有確定性分布和隨機(jī)性分布兩種。確定性分布模型多適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置分布已知或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已知的情況，如二維平面內(nèi)的矩形格柵、三角形格柵、六邊形格柵等。但是，很多網(wǎng) 絡(luò)場景僅具有關(guān)于節(jié)點分布的概率描述，無法給出確定性分布模型，因此只能采用隨機(jī)的空間分布模型。齊次泊松過程作為具有最大熵的齊次過程，為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的隨機(jī)分布提供了簡單、有效的隨機(jī)模型，被應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)的包吞吐量的分析、差錯概率和鏈路容量的研究、認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾的分析等場景。此外，將認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)模型化為具有一定功率密度的發(fā)射機(jī)組成的海，簡化和方便了對認(rèn)知無線南京師范大學(xué)泰州學(xué)院本科生畢業(yè)論文 16 電網(wǎng)絡(luò)中功率控制等問題的分析。本文后續(xù)研究也將基于認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)海的分布模型。 ③ 通信介質(zhì)的傳輸特性 通信介質(zhì)即信道的傳輸特性對累加干擾的影響亦不容 忽視。在許多無線系統(tǒng)的設(shè)計和分析中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的功率關(guān)系已經(jīng)足以反映通信介質(zhì)的傳輸特性。定義發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為 txP ，則與其距離為 R 的接收機(jī)的接收功率rxP 可表示為 2tx k krx bPZP R?? （ 21） 其中， b 為振幅衰減指數(shù)， 2b 為功率衰減指數(shù)。公式中 21 bR 項表示大尺度路徑衰落，振幅衰減指數(shù) b 與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)，變化范圍為 ～ 4，其中 ? 對應(yīng)建筑物走廊內(nèi)的衰落情況， 4b? 對應(yīng)高密度的城市環(huán)境中的衰落情況， 1b?對應(yīng)自由空間 （ freespace） 的衰落情況。 ??kZ 為獨立隨機(jī)變量，可表示不同的傳播效應(yīng)，具體如下所示： )a 僅有路徑衰落： 1 1Z? ； )b 具有路徑衰落和 Nakagamim衰落： 21Z?? ，其中 2 ( ,1 )g m m? ～ ， 2? 服從均值為 1 方差為 1m 的 gamma 分布； )c 具有路徑衰落和對數(shù)正態(tài)陰影： 21 GZe?? ，其中 ~ (0,1)GN ， G 服從均值為 0 方差為 1 的高斯分布； )d 具有路徑衰落、 Nakagamim 衰落以及對數(shù)正態(tài)陰影： 21Z?? ，其中2 ( ,1 )g m m? ～ ， 22 GZe?? ，其中 ~ (0,1)GN 。 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的累加干擾模型不僅要考慮認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性 ，也要考慮主用戶所在授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性等 。 干擾約束 制定干擾約束是一個非常復(fù)雜的政策問題，過于苛刻的約束政策會降低機(jī)會頻譜接入的潛在增益，過于寬松的約束政策又會影響主用戶系統(tǒng)與認(rèn)知用戶第二章 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)累加干擾綜述 17 系統(tǒng)的相容性。總體而言，干擾約束應(yīng)該至 少明確兩個參數(shù)：①主用戶接收機(jī)能夠容忍的最大干擾功率 ? ，②主用戶接收機(jī)處的累加干擾超出 ? 的最大允許概率 ? 。參數(shù) ? 表明主用戶系統(tǒng)的噪聲限，低于 ? 的累加干擾不會影響主用戶系統(tǒng)的通信?？紤]到主用戶發(fā)射機(jī)和認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)的影響，可以用主用戶接收機(jī)處的信干噪比閾值 ThSINR 來代替 ? ；當(dāng)主用戶接收機(jī)處的信干噪比