认知无线电之频谱共享技术

软件无线电课程论文论文题目：认知无线电之频谱共享技术姓名：学号：班级：目录目录2摘要31引言32研究现状33基本原理和算法34分布式动态频谱共享系统系统模型35个人理解和体会36参考文献3摘要当前,无线频谱资源的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电(CognitiveRadio,CR)作为一种新兴的技术,它改变了传统的由政府授权使用无线电频谱的方式,它以频谱利用的高效性为目标,允许非授权用户机会式利用授权用户的频谱空洞传输,被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的一种新方法。基于认知无线电技术进行频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.本文将从研究现状、原理等简单介绍认知无线电中的频谱共享技术。关键字：认知无线电频谱共享技术频谱利用频谱分配1引言基于认知无线电技术进行动态频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.动态频谱共享本质上是一种多目标优化问题,由于所有参与者(包括主用户和认知用户)具有不同的目标和利益,彼此之间的决策行为相互影响,并存在竞争和协作关系.如何设计频谱的使用规则和相关接入机制,协调所有参与者的行为实现有效的频谱共享,满足各自不同的利益需求就成为关键问题.目前,利用博弈论的方法分析动态频谱分配策略研究逐渐被研究者关注.目前普遍采用的非合作博弈模型中,理性的博弈者总是追求自身利益最大化,从而导致博弈的纳什均衡偏离全局最优状态.解决这一问题的一种有效方法用户效用函数的设计中,除了包括用户自身的收益之外,还将自身行为对其他用户造成的影响考虑在内.每个用户在追求自身效用最大化的同时兼顾了其他人的利益,其结果使得非合作博弈的均衡状态收敛于系统的最优状态.2研究现状认知无线电的频谱共享技术在提高频谱利用率方面的价值引起了各国电信管制机构的兴趣，不过由于认知无线电的技术和概念都非常超前，多数国家仍在研究讨论当中，只有美国的FCC已经正式批准具备认知无线电性能的设备进入市场。近年来美国希望大力发展宽带无线接入业务，但由于频谱资源匮乏，亟需寻找新的频段给新的接入技术。美国是最早推动和批准使用认知无线电设备的国家。FCC从2003年就开始尝试引入认知无线电提高频谱的利用。2003年12月，FCC公布了《使用认知无线电技术促进频谱利用的通知》，就《FCC规则第15章（FCCrulepart15）》（用于数字式设备和低功发射机的法规）进行了修订，并于2005年10月，正式批准了关于引入认知无线电技术、使用认知无线电设备的法规。FCC认为目前最适合应用认知无线电技术的是UHF中分配给电视广播业务的6MHz频段，因为目前该频段在美国利用率很低，通过允许其它免许可设备使用这个频段，不仅可以提高频率利用率，而且还可以推广宽带无线接入业务，因为这个波段传播距离远，适合为偏远地区提供服务，可以促进美国社会的宽带普及。FCC认为认知无线电技术还可以在高频率频段发挥作用，如100GHz以上的频段在美国的使用率只有5%-10%。认知无线电的频谱共享技术听起来是个十分新颖的概念，但事实上无线局域网（WLAN）领域已经开始利用认知无线电技术的频谱共享技术。WLAN是最早利用认知无线电频谱共享技术的无线通信系统。FCC等法规机构要求802.11a无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰，这种躲避雷达的能力要求系统具有强大的CR类自适应能力，而这只是WLAN-CR功能的开始。无论在军用还是民用领域，认知无线电的研究与应用都处于起步阶段。在军用领域，美国国防部高等研究计划署（DARPA）于2003年成立了下一代通信计划（XG），着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准。2003年开始，Raytheon公司与DARPA签订了下一代无线通信计划的合同。从事认知无线电相关的技术研究与开发。在民用领域，Motorola、Intel等公司也已经成立认知无线电研究组并开始开展相关的研究。3基本原理和算法3.1频谱共享技术概述采用高效频谱利用技术，首先需要重新认识频谱，频谱不是具体和有限的资源，它是抽象和无限的资源，对其利用率高低取决于所采用的技术。其次，需要详细探讨能充分利用频谱的高效频谱利用技术。近年来随着智能天线、高性能数字处理器，新型扩频码、多址接入技术，软件无线电、智能无线电、感知无线电，动态频谱分配和共享等新技术的迅猛发展，为频谱高效利用提供了可能。在这些改善频谱利用的新技术中，多无线电系统动态频谱分配与共享技术能显著提高整体频谱利用率，从长远看是提高频谱利用率的根本方法。但动态频谱分配需要改变现有频谱分配总体结构，对频谱管理、网络结构、通信终端等方面改变较大，近期看，实现难度较大。而频谱共享技术在不改变现有频谱分配总体结构下，通过不同无线电系统频谱共享来提高频谱利用率，实现难度较动态频谱分配策略小。动态频谱分配与共享的主要思想是多个无线电系统共享同一频段。3.2频谱共享技术分类动态频谱分配策略需改变现有频谱分配总体结构，涉及频谱管理者，虽然它是实现多系统频谱共享、提高频谱利用率的根本手段，但目前实现上还存在一定难度。因此，在不改变现有频谱分配总体结构前提下的频谱共享技术，成为目前最有可能得到广泛应用的频谱共享方法。频谱共享技术考虑到不同无线电系统在时间和空间上对频谱资源利用的不均衡，采用共享方式利用未能充分利用的频谱资源。将提供共享频谱资源的系统称为主系统，共享主系统频谱资源的系统称为次系统。3.2.1共存式频谱共享共存式频谱共享最为简单，次系统在接入信道之前进行与主系统之间的协作，并以极低的功率使用主系统的频段，不会对主系统产生干扰，因此通信过程中无需特别的干扰控制。如微波存取全球互通技术（WiMAX）和超宽带（UWB），由于UWB工作在3.1-10.6GHz这个相当宽的频段内，可以作为次系统，以协商好的低功率共享WiMAX的频谱。在所有频谱共享方法中，目前共存式频谱共享法在实际使用最为成功，这主要是它实现简单，并且无需采用感知无线电进行频谱感知。但是共存式频谱共享法应用范围很窄，由于发射功率较低，因此只适合短距离通信，尤其是无线局域网，如WiFi和Bluetooth等。3.2.2覆盖式频谱共享覆盖式频谱共享是指将一个或多个无线电系统频段完全覆盖另一个无线电系统相同的频段。因为如果分配给一个无线电系统的频谱未充分利用，那么其它无线电系统可以作为次系统使用同一频段中的空闲频谱。这样，允许次系统设备具有较高的发射功率，适合于长距离通信。根据主次系统之间有无合作，覆盖式频谱共享分为机会式和协作式。机会式频谱共享是指主次系统之间无需合作，次系统见机行事使用主系统的频谱资源。主系统无需知道次系统的存在，不会给主系统带来额外的开销。次系统在接入前，首先侦听本地频谱，搜索空闲信道；如果存在空闲信道，次系统便接入；如果暂时没有，次系统便等待主系统释放信道；在次系统通信过程中，一旦主系统需要占用次系统正在使用的信道，次系统必须在规定时间内快速释放该信道供主系统使用。因此，机会式频谱共享系统中，主系统的优先级高于次系统，只有在满足主系统正常通信的前提下，提供空闲频谱供次系统共享。协作式频谱共享是指主次系统之间采取合作方式共享同一段频谱，主系统知道次系统的存在，通过主次系统之间的共同协作更加精确和高效检测频谱。合作方式可采取对等方式，也可采取中央控制方式。4分布式动态频谱共享系统系统模型设系统中某一时刻可用信道为K={1,2,?,K},认知用户为N={1,2,?,N},所有K个信道可被N个用户共享.由于实际限制,通常每个收发机在同一时刻只能工作在1个频段,占用1个信道.对于用户i,若占用信道为φ(i),则其接收机处信噪比为其中,pφ(i)i为用户i的发射功率;hφ(i)ii为用户i的收发机在信道φ(i)上的信道增益;hφ(i)ji为在信道φ(i)上用户j与用户i接收机之间的信道增益;N0为接收机处的噪声功率,假设对于所有接收机均相同.为了简化表述,可以假设收发机之间的信道增益与采用的信道无关。为了不对主用户的通信产生干扰,对于任何1个信道k,所有认知用户在该信道上的发射不能超过干扰温度的限制,即其中,hi0表示认知用户i的发射机到位置固定的测试点0处的信道增益;B为干扰温度门限值.干扰温度的概念由FCC提出,表示接收机处所受干扰.在特定频段和地理位置上,只要不超过授权接收机的干扰温度,认知用户就可以使用该频段.本文只考虑单个测试点处的干扰温度限制.而在实际系统中,由于存在多个主用户接收机,且位置动态变化,为了能满足认知用户周围所有主用户接收机的干扰温度要求,可以将单个测试点处的干扰温度门限设置为具有足够大的干扰温度裕量.本文采用效用函数来描述认知用户获得的收益,效用函数通常可以表达为接收信噪比γi的函数ui(γi).系统的全局优化问题可以表述为文献[4]中提出的基于干扰补偿的分布式功率分配算法,通过引入干扰代价来量化用户的发射对于其他同频用户产生的干扰.干扰价格定义为表示用户i在信道上对其接收到的来自其他用户干扰的边际效用增量.干扰价格表明干扰的降低量对效用增量的影响程度.文献[4]将πφ(i)i视为用户i在信道φ(i)上的干扰价格,此时每个用户的效用可理解为净效用其中第2项表示用户i由于对其他同频用户产生干扰而必须付出的干扰代价.因此,对于用户i而言,其目标为其中pφ(i)-i={pφ(i)1,pφ(i)2,?,pφ(i)i-1,pφ(i)i+1,?}表示除用户i以外,使用信道φ(i)的其他所有用户的发射功率向量.用户在最大化自身净效用的过程中,考虑到了对其他用户的干扰,彼此产生了间接的合作行为,从而使得分布式算法的结果与系统最优状态趋于一致.用户的干扰价格以广播方式交互.虽然文献[4]设计的分布式算法收敛于系统的全局最优解,但是存在以下问题:1)认知用户在进行频谱共享时没有考虑对主用户的干扰;2)没有考虑到不同用户的业务需求;3)采用扩频机制进行信道共享,所有用户占用整个频谱,只进行功率控制,本文的系统模型将频谱划分为多个正交信道(这种方法更符合实际,因为频谱空洞通常是不连续的),除了功控以外,用户必须考虑信道的分配,即如何选择φ(i).基于以上3点考虑,需要对文献[4]中的算法进行必要的修正和扩展.对于问题1),本文采用式(2)的干扰温度条件对认知用户的发射功率进行限制,从而不影响主用户的通信.对于问题2),本文将结合用户特定的业务QoS需求对网络资源进行使用.该系统采用业务传输速率来量化业务的QoS需求,即ri∈[ri,min,ri,max].对于问题3),在算法中增加了信道的选择.5个人理解和体会随着无线电新业务的不断出现，频谱供需矛盾会日益明显，频谱紧缺将成为制约无线通信行业发展的瓶颈。动态频谱共享技术能有效提高频谱利用率，增强无线电系统使用频谱的灵活性，缓解频谱供需矛盾，将是未来高效频谱利用技术的发展方向。频谱资源是非常有限的，而社会日益增长的信息量让人们对于信息传输速率提高的需求会一直持续增长，认知无线电的研究将会有无限前景，当然，你要学习的足够好，满足相关研究的素养要求。这次论文的撰写让我明白：大学教育是通识教育，尽管我们是通信专业，但是学习的知识仍然只是一个基础性的知识，还不具备运用到生产研发实践的程度。想要在一个方面出众出彩，需要我们自己找准兴趣点自己去搜集资料，自己去学习，或者成为研究生接收系统的学术培训，我们这些本科的通信学子无论是想要进一步学习认知无线电的知识还是其他的知识，必须自己主动一些，去追寻知识，被动学习永远只是追赶技术潮流的脚步。6参考文献[1]文展，曾晓辉，陈果.动态频谱分配与频谱共享研究综述[J].通信技术，2010,41（7）：60-62[2]GrandblaiseD,MoessnerK,LeavesP,etal.Reconfigurabilitysupportfordynamicspectrumallocation:fromtheDSAconcepttoimplementati