【文章內(nèi)容簡介】 戶與非授權用戶之間的信道接入。根據(jù)分配行為的不同，頻譜分配技術可以分為合作式和非合作式兩大類。合作式頻譜分配考慮各認知用戶行為對其他用戶的影響；非合作式則只考慮自己的行為。為規(guī)定用戶之間選擇頻譜的協(xié)商機制，Mitola提出了標準的無線禮儀協(xié)議的初始框架，規(guī)定了主用戶和認知用戶之間選擇頻譜的協(xié)商機制，主要包括租用頻譜協(xié)議、補償協(xié)議、頻譜使用優(yōu)先級協(xié)議等。Nie等人基于博弈論的擴展應用，分別分析了合作用戶和非合作用戶情況下系統(tǒng)的性能，指出基于合作的DSA可以提高全網(wǎng)的性能。Peng和Zheng等人提出了一種基于標簽的機制，可以識別用戶的優(yōu)先級，得到50%的性能改善。Cao等人在此基礎上提出了本地討價還價（Local Bargaining）算法，采用公平的業(yè)務保證機制，提高頻譜利用率，同時降低了系統(tǒng)的復雜性。在文獻中提出了一種基于規(guī)則的頻譜分配方案，其思路是用戶通過觀察本地干擾碼型，依據(jù)預先設定的適用于不同場景的規(guī)則獨立決策選擇信道，從而使性能復雜度和通信成本得到折中。這個方案會使系統(tǒng)的性能有輕微的下降，但是通信中的過載現(xiàn)象明顯減少。根據(jù)分配架構的不同，頻譜分配技術可以分為集中式和分布式兩大類。集中式算法由集中單元控制頻譜分配和接入的過程，計算復雜度高；分布式算法中每個認知用戶都參與頻譜分配決策，多采用啟發(fā)式分配方法，收斂法是其中一項很重要的性能指標，它主要體現(xiàn)了算法對系統(tǒng)變化的適應能力。在認知無線電通信系統(tǒng)中功率控制的實現(xiàn)以分布式進行，以擴大系統(tǒng)的工作范圍，提高接收機性能，而每個用戶的發(fā)射功率是造成其他用戶干擾的主要原因，因此功率控制是認知無線電系統(tǒng)的關鍵技術之一。在多址接入的CR信道環(huán)境中，主要采用協(xié)作機制方法，包括規(guī)則及協(xié)議和協(xié)作的Adhoc網(wǎng)絡這兩方面的內(nèi)容。多用戶的CR系統(tǒng)中的協(xié)作工作以及基于先進的頻譜管理功能，可以提高系統(tǒng)的工作性能，并支持更多的用戶接入。但是這種系統(tǒng)中除了協(xié)作，還存在競爭。在給定的網(wǎng)絡資源限制下，允許其他用戶同時工作。因此在這樣的系統(tǒng)中發(fā)送功率控制必須考慮以下兩種限制，即給定的干擾溫度和可用頻譜空穴數(shù)量。目前解決功率控制這一難題主要技術是對策論和信息論。多用戶CR系統(tǒng)的功率控制可以看成一個對策論的問題，對策論是研究決策主體行為發(fā)生直接相互作用時的決策以及這種決策的均衡問題，它可劃分為合作對策和非合作對策。如果不考慮非合作對策，看成完全的合作對策，這樣功率控制則簡化成一個最優(yōu)控制問題。當這種完全的合作在多用戶系統(tǒng)中是不可能實現(xiàn)的，因為每個用戶都試圖最大化自己的功率，使用功率控制被歸結為一個非合作對策。目前主流技術是用Markov對策進行分析，Markov對策是將多步對策看作是一個隨記過程，并將傳統(tǒng)的Markov對策擴展到多個參與者的分布式?jīng)Q策過程。多用戶CR系統(tǒng)的功率控制問題就可以看成是Markov對策進行分析解決。實現(xiàn)功率控制的另一種方法是基于信息論的迭代注水法，其基本思想是把系統(tǒng)的信道看作是若干個平行的獨立子信道的集合，各個子信道的增益則由其對應的奇異值來決定。使用了該算法后，發(fā)送端會在增益較多的子信道上分配更多的能量，而在衰減比較厲害的子信道上分配較少的能量，甚至不分配能量，從而在整體上充分利用現(xiàn)有的資源，達到傳輸容量的最大化。，其別稱為無線區(qū)域網(wǎng)絡（WRAN），利用CR技術將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶作為寬帶訪問線路。（通常指一個基站到多個認知用戶）的無線空中接口。，其中有一個功能相當于基站的控制中心，它負責收集頻譜感知信息，分析頻譜使用狀況，處理認知用戶申請和歸還頻譜的要求，每個認知用戶向控制中心數(shù)據(jù)庫報告其位置、功率水平、調(diào)制方式和其他重要信息，由控制中心負責給認知用戶分配空閑頻譜。當電視用戶需要使用頻譜時，控制中心立刻從數(shù)據(jù)庫中選出其他空頻譜通知認知用戶進行切換，同時更新數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。對于物理層的要求是要保持低復雜性的同時提供很高的性能：基站能夠根據(jù)接收到的信息，動態(tài)地調(diào)整編碼和調(diào)制方式；另外為對電視廣播業(yè)務不造成干擾，還要求發(fā)射功率控制的動態(tài)范圍至少為30dB。與別的IEEE標準相比較，如偵聽門限、響應時間等多種機制還需做大量的研究。超寬帶（UWB，Ultra Wideband）無線技術和系統(tǒng)是與認知無線電應用前景緊密相關的一項技術，它被認為是當今多媒體寬帶無線通信中最有前途的候選方案。最初將認知無線電技術應用于UWB系統(tǒng)中就是認知超寬帶無線電技術（CUWB）的提出，是為了能夠?qū)崿F(xiàn)在直序列超寬帶（DSUWB，DirectSequence UWB）和多頻帶正交頻分復用（MBOFDM，MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing）兩種UWB標準的互通。CUWB是結合認知無線電和超寬帶技術的主要優(yōu)點來聯(lián)合設計研究的一種智能無線系統(tǒng)，是一種基于頻譜感知的具有自適應輻射掩膜（或發(fā)射功率譜密度）和靈活波形的新型超寬帶系統(tǒng)。由于UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)之間存在著不可避免的干擾，將CR技術與UWB技術相結合來解決干擾問題也成為近幾年的研究熱點。UWB無線技術具有高通信容量、抗多徑衰落、靈活抗干擾能力、精確的測距和定位等優(yōu)點，而CR技術是通過智能頻譜管理來解決頻譜資源短缺的最有效的方法。兩者相結合，一方面能針對功率、距離和所要求的數(shù)據(jù)率進行頻譜優(yōu)化，解決UWB的共存問題；另一方面，UWB技術能幫助解決CR實現(xiàn)上遇到的諸如復雜射頻前端設計等難題?；贑R思想的UWB無線技術的發(fā)展能大大的促進智能網(wǎng)絡和設備的發(fā)展，形成真正普及和以用戶問中心的無線通信世界，具有重大的理論和實際意義。（WLAN，Wireless Local Area Network）主流。WLAN設備大多工作在免授權頻段，隨著無線局域網(wǎng)的普及，免授權頻段的通信業(yè)務將非常繁忙，幾乎達到飽和狀態(tài)，這樣的工作頻段已無法滿足新的業(yè)務要求，采用CR技術就可以解決WLAN頻段擁擠造成的可用頻譜資源不多的問題?，F(xiàn)有的無線局域網(wǎng)標準中。，如雷達，要保證無線局域網(wǎng)的工作頻段不受這類設備的干擾是非常困難的。從CR的角度看來。認知無線電技術在WLAN中的另一個應用是Atheros公司推出的基于SuperG技術的無線局域網(wǎng)技術。該技術中加入了自動檢測周圍其他無線局域網(wǎng)的功能，可以根據(jù)檢測到的鄰近無線局域網(wǎng)用戶情況自適應地調(diào)整信道占用方式，最大限度提高系統(tǒng)傳輸速率。 本章在介紹了認知無線電的概念和三個關鍵技術基礎之上，對認知無線電在幾個領域中的應用分別進行了討論。本章同時介紹了無線電在WRAN中，在UWB系統(tǒng)和在WLAN中的應用。其中，主要說明了無線電中的頻譜感知技術，并對頻譜感知技術做了較為詳細的介紹。當然頻譜感知技術也是本文所研究的一個重點技術，所以，在下面的章節(jié)里將會對頻譜感知技術做更為詳細的講解和其在無線電研究領域中的重要地位。第三章 認知無線電頻譜感知技術頻譜感知是認知無線電系統(tǒng)的基本功能，是實現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享等一系列認知無線電功能的前提。簡單說來，頻譜感知的任務就是查找“頻譜空洞”，它包括兩方面的內(nèi)容:一方面是感知感興趣的頻段是否存在授權用戶信號，并判斷該頻段是否處于空閑狀態(tài)，也即頻譜空洞，從而決定是否可使用該頻段。另一方面，由于認知無線電的一個基本前提是對授權用戶不造成嚴重干擾，因此認知用戶在使用該頻譜空洞的過程中，還要持續(xù)的監(jiān)聽授權用戶是否再次出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)要采取相應措施?？梢钥闯?，在不對主用戶造成干擾的前提下為了最大程度的提高頻譜利用率，頻譜感知需要滿足快速、準確的要求。為了提高頻譜資源的利用率，實現(xiàn)頻譜的協(xié)商或機會共享，認知無線電用戶又被稱為次級用戶(Secondary User)必須在開始其通信過程之前獲得可靠的頻譜資源使用狀況(Septum use patter)，就是在特定的地理區(qū)域及特定的時間段內(nèi)，那些受關注頻帶的占用情況。文獻將獲得頻譜資源使用狀況的方式分為主動方式和被動方式。被動方式是次級用戶通過次級通信系統(tǒng)以外的通信系統(tǒng)而獲得的頻譜資源使用狀況。在被動方式中，授權用戶又被稱為主用戶(Primary User)與次級用戶進行協(xié)商，由主用戶發(fā)布其頻譜的使用情況。主用戶可以通過信標方式、數(shù)據(jù)庫方式、或者服務器方式來向次級用戶通告其頻譜的使用情況，次級用戶利用這些信息則能夠保證在不對主用戶的通信造成干擾的前提下，提高頻譜資源的利用率。然而被動方式獲取頻譜資源使用狀況，需要主用戶系統(tǒng)與次級用戶系統(tǒng)傳遞大量的控制信息，這就額外地增加了頻譜資源的消耗，此外這種方式還必須要求對現(xiàn)有的主用戶通信系統(tǒng)及通信規(guī)范進行修改。這些原因使得目前的研究方向主要集中在主動獲取頻譜資源使用狀況的方式上。與被動方式不同，主動方式是次級用戶在其通信系統(tǒng)內(nèi)部，通過其自身的頻譜感知功能而獲得頻譜資源使用狀況的方式。本章主要討論以主動方式獲取頻譜資源使用狀況的頻譜感知的幾種實現(xiàn)方法，并對其優(yōu)缺點加以分析和對比。認知用戶在使用頻譜時具有較低的優(yōu)先級，這決定了授權用戶在任何授權信道的隨時出現(xiàn)都要迫使認知用戶不得不中止該信道的工作，切換到新的頻段或者調(diào)整傳輸方式以不影響授權用戶的通信。因此認知用戶必須以較高的靈敏度連續(xù)檢測特定地域授權用戶的存在狀況，獲得當前頻率使用情況。所以說，頻譜感知技術在認知無線電中具有基礎地位，是認知無線電系統(tǒng)的基本功能，是實現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享的前提。認知用戶在時域、頻域和空域?qū)Ψ峙浣o授權用戶的頻段不斷地進行頻譜檢測，檢測這些頻段內(nèi)的授權用戶是否正在工作，從而得到頻譜使用的情況。如果該段頻譜沒有被授權用戶使用，那么這段頻譜稱為“頻譜空穴”。頻譜感知的本質(zhì)是認知用戶通過對接收信號進行檢測來判斷某信道是否存在授權用戶。這里的信道是指廣義信道，可代表時隙、頻率、碼字等。它與信號解調(diào)不同，不是必須恢復原來的信號波形，而只需判斷授權用戶信號的有無。在認知無線電網(wǎng)絡中，由于授權用戶信號類型和信道傳播特性的多樣性、以及授權用戶所能承受干擾級別的不同，對頻譜檢測的性能要求更高，加大了頻譜檢測的技術復雜度。頻譜感知的目的就是發(fā)現(xiàn)頻譜空穴，在利用頻譜空穴通信的同時不對授權用戶的使用造成有害干擾。為不對授權用戶造成有害干擾，認知用戶需要能夠獨立地檢測出空閑頻譜及授權用戶的出現(xiàn)。這就要求認知用戶能夠?qū)崟r地連續(xù)偵聽頻譜，以提高檢測的可靠性。為對授權用戶不造成有害干擾，%。認知無線電的認知循環(huán)中最基本的步驟就是感知頻譜。頻譜感知最有效的方式就是在CR的通信范圍之內(nèi)檢測主用戶接收機。實際上，有時候CR很難測量主用戶接收機和發(fā)射機之間的信道，因此大部分研究都建立在主用戶發(fā)射機檢測的基礎上。頻譜感知方式一般包括：發(fā)射機檢測、協(xié)作檢測和基于干擾溫度的檢測等。頻譜資源在傳統(tǒng)上是由政府部門以固定的方式劃分成不同的頻段，并對頻段頒發(fā)牌照來分配給授權用戶使用的。這種頻譜資源的固定分配方式是為了保證各個頻段的用戶不受到相互干擾為目的的。由于無線通信業(yè)務的迅猛增加和無線通信技術的飛速演進，有一種矛盾顯得日益突出，這就是如何更有效地利用頻譜資源的問題。無線電通信頻譜資源是一種寶貴的自然瓷源，一般由政府或管理機構授權使用。由于無線通信業(yè)務需求的快速增長，可分配的頻譜資源變得越來越稀缺。尤其伴隨著近幾年無線通信技術的日益發(fā)展以及世界范圍內(nèi)移動通信用戶的迅猛增加，尤其是隨著無線局域網(wǎng)、無線個人域網(wǎng)絡(WLAN)技術的發(fā)展，越來越多的語音通信業(yè)務、數(shù)據(jù)通信業(yè)務以至多媒體業(yè)務是通過無線的方式接入到網(wǎng)絡中去的。但是出乎大多數(shù)人預料，美國聯(lián)邦通信委員FCC的關于頻譜資源使用情況的報告，卻表明一些授權頻段在不同的時間段、不同的地理區(qū)域里的使用率是在15％到85％之間，這些頻段大多數(shù)時間里未被占用，還有一些只是被部分占用，頻譜的利用情況極不平衡，一些非授權頻段占用擁擠，而有些授權頻段則經(jīng)?？沼谩Ｒ驗榇蟛糠值念l譜資源均被用來做授權頻段使用，且相當數(shù)量的授權頻譜資源的利用率卻非常低，因此FCC的專用頻譜分配政策被越來越多的人認為是過時的，尤其是在如工業(yè)、科學和醫(yī)用(ISM, Industrial, Scientific，Medical)開放接入共享頻段的應用的巨大成功之下，更加加重了對FCC傳統(tǒng)的頻段分配政策的批評，即頻段分配予單一的使用用途、在某地理區(qū)域?qū)我坏膶嶓w頒發(fā)專用許可、禁止其它設備在這些頻段傳送信號即使此頻段在某個區(qū)域或某些段時間內(nèi)未被占用?，F(xiàn)有的頻譜共享技術，如工業(yè)、科學和醫(yī)用(ISM)頻段開放接入、工作于3GHz～10GHz頻段的超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)共存等技術通常應用于固定頻段的共享，或受限于發(fā)送功率的短距離通信。這些技術在提高頻譜利用率的同時卻增加了干擾，限制了通信系統(tǒng)的容量和靈活性。針對靜態(tài)的頻譜資源分配的種種弊端，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)已于2003年12月在其文件NPRM,FCC 03322 (Notice of Proposed Rulemaking，規(guī)則制定建議通知)中提出了認知無線電(CR)技術作為實現(xiàn)頻譜的協(xié)商或機會共享(negotiated or opportunistic)的候選方案。與傳統(tǒng)的頻譜共享技術不同，CR技術能實時地根據(jù)其周圍的無線通信環(huán)境，對發(fā)射功率、干擾進行優(yōu)化，從而有效地抑制各種干擾，提高通信系統(tǒng)的傳輸速率或傳輸距離。認知無線技術最基本的特征就是可以讓終端及基站等具有感知周圍無線電環(huán)境的功能。無線設備可以自己選擇所要利用的頻率和方式，從而提高頻率利用率。用戶可以享受更高速的數(shù)據(jù)通信、更穩(wěn)定的通信服務。并不是讓特定的無線通信系統(tǒng)占據(jù)‘時間’、‘頻率’和‘空間’，而是讓多個無線通信系統(tǒng)可以適當分配這三種資源。認知無線電作為一種更智能的頻譜共享技術，能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學習和決策算法，實時自適應地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動態(tài)的檢測和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率以及空間上進行多維的頻譜復用。這將大大降低頻譜和帶寬的限制對無線技術發(fā)展的束縛。因此這一技術被預言為未來最熱門的無線技術。認知無線電的最終目標是通過認知和重新配置獲得最好的可用頻譜。由于多數(shù)頻譜已經(jīng)被分配，因此最大的挑戰(zhàn)就是如何與法定的授權用戶共享頻譜而不對其產(chǎn)生干擾。由于目前頻譜利用嚴重不均，通信界的研究人員開始思考“頻譜空洞”這樣一個嶄新的概念，即“頻譜空洞是指分