航天器通信技术的发展和应用课程报告《认知无线电技术研究》姓名房鑫学号 151230124学院航天学院专业信息工程二〇一六年三月I摘要摘要认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。
随着无线通信技术的发展，一个日益严峻的问题摆在了我们的面前，那就是频谱资源日趋缺乏。
但是另一方面，无线频谱资源在空间和时间上存在着不同程度的闲置，于是人们提出了认知无线电技术。
认知无线电网络中的用户能感知周围的无线环境，并能择机进入频谱，从而提高了频谱利用率和实现了频谱的灵活分配。
本文主要对认知无线电的动态频谱分配算法进行了研究。
频谱的灵活应用要求认知无线电系统能够动态地分配频谱资源，包括要为主用户的出现实现退避和切换功能，因此，频谱分配是能否充分高效利用空闲频谱的关键技术。
本文首先对认知无线电作了简要的介绍，阐述了认知无线电的概念、功能以及发展状况等。
然后介绍了认知无线电关键技术及频谱分配方法，并分析了现有算法的优缺点。
关键词：认知无线电，频谱分配，图论着色，用户需求，公平。
1绪论随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。
根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。
另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。
因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。
现在的频谱管理策略是基十静态控制的模型，频谱是固定授权分配的，因此导致了较低的频谱利用率。
而认知无线电技术使得次用户对频谱的二次使用成为可能，极大地提高了频谱利用率，被认为是解决频谱缺乏问题的方案之一。
本章将对认知无线电技术做一个简单的介绍。
1.1认知无线电的概念与特征自1999年“软件无线电之父”Joseph MitolaⅢ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。
FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”。
Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。
它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。
”无线频谱资源在传统的无线通信系统中是固定授权分配的，这样的分配方式有利于保证系统的服务质量(QoS,Quality of Service)，但是也这样的分配方式也导致了频谱利用率的低下[1][2]。
FCC(Federal Communications Commissions，美国联邦通信委员会)的一份调查报告表明,分配给授权用户的频段其使用率在不同时间不同地区的波动很大,从15%-85%不等。
而认知无线电的正是为了解决这个问题而提出的。
认知无线电的概念是Joseph MitolaⅢ博士于1999年在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的[3]，强调软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）是实现CR的理想平台，是对软件无线电的进一步的扩展。
Joseph MitolaⅢ博士于2000年在他的博士论文给出了他对认知无线电的定义。
他认为：“认知无线电这个术语是指这么一个观点，即在无线资源和相关的计算机与计算机之间通信方面，无线个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)和相关的网络具有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用环境的函数以及提供最符合这些需求的无线资源和服务。
于是，认知无线电设备能够为无线传输自动选择最好和最便宜的服务，甚至能够根据目前或即将可用的资源，延迟或提前某次传输。
”总得来说，认知无线电就是具有认知和学习能力的无线系统，能实时、动态的检测到无线频谱空洞，并根据一定的策略算法，实时、自适应得改变自身工作参数，对频谱空洞加以有效利用的无线电。
总结上述定义，CR应该具备以下2个主要特征：(1)认知能力认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。
这一任务通常采用图1所示的认知环进行表示，包括3个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。
频谱感知的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。
图1认知环模型(2)重构能力重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程，从而允许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。
可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。
重构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。
一旦该频段被LU使用，CR有2种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对LU的有害干扰。
1.2认知无线电的基本功能及特点从以上介绍可以看出，认知无线电系统通过实时的感知和学习，不断地自适应地调整其自身内部的通信机理来适应无线通信环境变化，最大程度地提高频谱资源的利用率。
由此可以总结出认知无线电具有这样的特点[5]：(1)对无线通信环境的感知能力；(2)对环境变化的学习和自适应能力；(3)系统功能模块的可重配置能力；(4)通信质量的高可靠性；(5)对频谱资源的充分利用；认知无线电要取得成功，SU首先要准确地探测出PU是否正在使用某信道。
认知无线电然后会根据感知到来的频谱信息，自适应的调整自身的无线通信功能，即系统功能模块重配置能力。
所以这两个功能是认知无线电的两大功能特征。
1.3认知无线电的国内外相关研究1.3.1国外的研究现状(1) 频谱池德国Karlsruhe大学FiedrichJondral教授的研究小组在德国联邦研究和技术部移动通信项目的资助下，基于Joseph Mitola的“频谱池”概念，开发出一个基于OFDM技术的中心控制的频谱池体系架构。
频谱池的思想是将一部分分配给不同业务的空闲频谱合并成一个公共的频谱池，整个频谱池又可划分为若干个子信道，感知用户可临时占用频谱池里的空闲信道。
基于OFDM的频谱池将频段分成的若干个子载波，用当前、当地可利用的频谱空洞所对应的子载波传输感知用户的数据，而将正在活动的主用户频段所对应的子载波设置为关闭状态。
(2)端到端可重配置（End-to-End Reconfigurability，E2R）[9]由摩托罗拉、西门子、法国电信和英国的几所大学联合开发的项目端到端可重配置（End-to-End Reconfigurability，E2R）系统。
E2R系统可为多种空中接口、协议和应用提供通用的平台和相关的工作环境,通过基于认知算法的可升级和可重配置的架构来优化资源利用;同时可重配置性可以灵活地修改相关设备的软件设置,提高网络和设备的性能。
(3)Next Generation(XG)项目美国国防高级研究计划署启动了下一代XG（Next Generation）项目，目标是使得美国军用通信设备可以检测环境变化，根据所处环境的频谱管理政策选择频谱。
项目包括两个方面：一是开发提供择机频谱接入的技术；二是开发通过灵活的政策应用管理无线行为关键方面的长期管理框架。
如何检测并描述无线电环境，辨认可用频谱以及合理分配谱构成了整个XG项目的研究核心。
(4)CORVUS系统[10]为了能通过协调的方式检测和使用频谱，美国加州大学Berkeley分校的R.W.Brodersen教授的研究组提出来了CORVUS系统。
在CORVUS系统中，使用了用户分组的思想，通过组内控制信道协调组内用户的动态频谱使用；通过通用控制信道协调组间的动态频谱分配；提出了如何在动态频谱接入下的可靠链路维护协议。
目前，该系统正开发测试床评估物理和介质访问控制层的性能。
1.3.2国内研究现状在国内，虽然关于认知无线电的研究起步较晚，但是这几年针对认知无线电技术的研究项目也有很多。
国家高技术研究发展计划（863计划)于2005年7月设立课题研究认知无线电技术，国内众多高校参与了该课题的研究，特别是对认知无线电物理层和MAC层关键技术、协议体系结构、应用场景分析等方面做了许多深入的研究。
另外，华为术有限公司和电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室、香港科技大学合作，进行了利用空闲电视频段提供宽带无线接入的IEEE 802.22标准的制定，并向IEEE 802.22提交了多项提案。
2认知无线电的关键技术认知无线电的网络结构有集中式、分布式和“集中+分布式”3种类型,它通过频谱自适应技术来实现动态频谱分配根据认知无线电系统必须具备的基本功能,如何实现这些功能也就成为认知无线电的关键技术。
2.1 频谱检测技术目前,对频谱检测技术的研究主要包含两方面:一是单点频谱检测技术,根据单个认知无线电节点接收的信号,检测其所处无线环境的频率占用情况;二是多点协同频谱检测技术,即把多个节点的频谱检测结果进行合并,以提高检测正确率,并降低单节点的性能要求。
2.2自适应频谱资源分配技术为了解决目前频谱资源日益紧张和固定分配频谱利用率较低的矛盾,就要找到更有效的方法来充分感知和利用无线频谱资源。
基本途径有两条:其一,提高频谱利用率,充分利用已授权用户的频谱资源,减少浪费;其二,提高系统通信效率,综合优化分配已获得的频率资源和其它资源,进而提高利用率。
正交频分复用(OFDM)技术是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式。
该方式通过频率的组合或裁减实现频谱资源的充分利用,可以灵活控制和分配频谱、时间、功率、空间等资源。
自适应频谱资源分配的关键技术主要有载波分配技术和子载波分配技术。
2.3动态频谱管理技术动态频谱管理(DSM)又称为动态频谱分配,主要在发射端执行。
简单来说,频谱管理的主要目的是通过一个自适应策略有效地(高效率以及可实施)利用RF频谱。
特别地,频谱管理算法设计要求以无线场景分析者对频谱空穴的侦察以及发射功率控制者的输出为基础,选择适应无线环境时间变化特征的调制模式。