认知无线电频谱共享技术

2011 年 7 月第 7 期 现代电信科技 ODERN SCIENCE & TECHNOLOGYOF TELECOMMUNICATIONS 现代电信科技M···························· 1 引言 随着电信技术的快速发展, 频谱资源匮乏问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 日益 突出。传统的无线网络普遍采用固定式频谱分配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，导 致大量的许可频谱（Licensed Spectrum）利用率低下，频谱 分配极不平衡，更加剧了频谱资源不足和用户需求之间 的矛盾。动态频谱接入技术可以充分利用有限的频谱资 源，极大提高频谱利用率，有效缓解当前固定频谱分配政 策导致的对频谱资源不合理利用的问题。人们把利用这 一技术的网络称为下一代网络或者认知无线电网络（CR Network）。在 CR技术中，通常称工作频段的授权用户为 第一类用户，而认知用户（CR Users）为第二类用户。认知 用户可以感知、学习、自适应周围无线频谱环境的变化。 通过与周围无线频谱环境的相互作用，认知用户可以通 过频谱感知、频谱管理、频谱移动性和频谱共享四个功能 动态接入最适宜的空闲频谱，实现有效通信。本文主要介 绍频谱共享技术，重点从以下四个方面着手：网络架构频 谱分配行为，频谱接入技术和共享频谱的范围，并可依次 将频谱共享技术分为如图 1所示的八种类型。 认知无线电中的频谱共享技术 摘要：由于认知无线电网络的一些独有的特性，比 如，可用频谱资源的动态变化以及与第一类用户 的共存，使得认知无线电网络中的频谱共享技术 面临着许多新的挑战。当前关于频谱共享技术的 研究旨在应对这些挑战，并且主要从以下四个方 面着手：网络架构，频谱分配行为，频谱接入技术 和共享频谱的范围。 关键词：认知无线电，频谱共享，第二类用户，第一 类用户 Abstract：Due to the unique characteristics of cog－ nitive radio networks, such as dynamic changes of available spectrum resources and co-existence with primary users, the spectrum sharing policy in cogni－ tive radio networks faces many new challenges. The existing work in spectrum sharing aims to address these challenges and can be classified by four as－ pects: the architecture, spectrum allocation behav－ ior, spectrum access technique, and scope. Key words: cognitive radio, spectrum sharing, sec－ ondary users, primary users 杨金星 北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生 高月红 北京邮电大学信息与通信工程学院博士 杨大成 北京邮电大学信息与通信工程学院教授 基金项目： 北京邮电大学青年科研创新计划专项基金 （课题编 号 2011RC0114） * 33 esearch & Explorat ion 专业研究R MSTT July 2011 ···························· 图 1 频谱共享技术的分类 2 频谱共享技术 频谱共享，就是通过无线场景感知建立频谱空 穴检测，根据感知结果调节各个发射机功率输出，以 适当的调制编码策略选择最合适的频段进行可靠的 通信，自适应时变的无线射频环境，实现认知用户与 第一类用户之间以及认知用户与认知用户间的频谱 共享[1]。 2.1集中式与分布式频谱共享 基于网络架构的不同，频谱共享技术被分为集 中式和分布式两种类别[2]。 集中式网络架构中，设有一个中央控制单元，它 负责动态收集整个网络的可用频谱信息、控制频谱 资源的分配和接入。在这种架构中，频谱感知仍然可 以是分布式的，网络中的每个分布式节点都把自己 探测感知的频谱信息汇集到中央控制单元，中央控 制单元负责各个认知用户的频谱配置，兼顾不用用 户的不同需求，尽可能地避免认知用户间的相互干 扰。如图 2所示，图中箭头 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示中央控制单元与认知 用户间的信令和控制信息的流动，基于收集到的可 用频谱信息，中央控制单元建立频谱分配映射图。基 于建立起的频谱分配映射图，频谱资源被合理配置 给相应的认知用户，同时频谱效率和用户接入公平 性也得到很好的平衡。 分布式解决方案主要应用在不能构建集中式结 构的场合，在这种情况下，每个分布式节点都参与频 谱分配，这可能会大大降低系统部署的复杂度，提高 网络的可扩展性，但同时也可能引起认知用户间的 相互干扰，进而造成频谱利用率下降，影响整个网络 的性能。近年来的相关研究表明，分布式频谱共享方 案可以逼近集中式频谱共享的性能，而网络部署的 复杂度和节点间需要交换的信息量都可以极大地降 低。 2.2 协作式与非协作式频谱共享 基于频谱分配行为的不同，频谱共享技术被分 为协作式与非协作式两种类别。 协作式频谱共享方案考虑节点通信对其他节点 产生的影响，在节点间共享干扰信息，因为每个节点 的感知能力有限，协作行为可以为它们提供必要的 信息以解决全局性的问题。协作行为考虑了公平性， 提高了频谱的利用率和网络的吞吐量，但要求用户 间信息的共享，会引入额外的通信开销。集中式解决 方案可以看作是协作式的，同时也存在着分布式的 协作方案。一个更通用的方案是，网络中若干相邻认 知用户组成认知用户群，每个认知用户群内部共享 本地干扰信息，而用户群与用户群之间是相互独立 的，这样，既可以获得一定的协作性能，又可以把系 统复杂度控制在一定范围内。 与协作式频谱共享方案相反，非协作式方案仅 考虑节点自己的行为，因而这种方案也被称作是“自 私”的，频谱分配和接入基于本地的规则执行，因此 能大大减少通信的开销，但会导致频谱利用率下降。 研究表明，协作式频谱共享方案性能优于非协 作式方案，甚至可以近似逼近全局优化方案性能[2]。 ���� ��� � � �� �� � ������� � ������ �� ��� �� �� �� !" #$� %#$� ��� ��� � � � � � � � � 图 2 集中式频谱共享网络架构 34 2011 年 7 月第 7 期 现代电信科技 ODERN SCIENCE & TECHNOLOGYOF TELECOMMUNICATIONS 现代电信科技M···························· 此外，协作式频谱共享方案还能获得更好的用户接 入公平性能，以及更高的系统吞吐量性能。另一方 面，非协作式频谱共享方案需要更少的节点间信息 交互，相应的也就需要消耗更少的功率，从这个角度 来看，在吞吐量和公平性性能等方面的劣势又可以 得到一定程度的弥补。 2.3 Underlay和 Overlay式频谱共享 基于频谱接入技术的不同，频谱共享技术被分 为 Underlay和 Overlay两种类别[3]。 Overlay频谱共享本质上是一种基于认知无线 电的窄带通信技术，它使用授权用户没有使用的一 部分频谱接入网络，这样可以最小化对第一类用户 系统的干扰。认知用户选择频谱资源时遵循以下两 个原则：第一，该部分频谱资源没有被第一类用户占 用；第二，认知用户占用该部分频谱资源后对第一类 用户的干扰尽可能小。认知用户一旦发现在自己的 干扰范围内有第一类用户要占用自己正在使用的频 谱资源，它会立即释放该部分频谱，因此，认知用户 需要通过感知功能获得第一类用户的具体位置以及 是否进行数据的传输。 图 3 Overlay频谱共享资源配置 如图 3所示，深灰色代表的是第一类用户正在 使用的资源块，白色代表的是频谱空洞，也就是没有 被第一类用户占用的那部分频谱资源，而浅灰色代 表的则是正在被认知用户使用的频谱资源块。 Underlay频谱共享使用已开发的用于蜂窝网络 的扩频技术，认知用户占用系统的整个带宽。这样， 任何单个认知用户的干扰信号在第一类用户看来就 近似于高斯白噪声，但多个认知用户的干扰叠加仍 然能对第一类用户造成严重干扰。此时，认知用户和 第一类用户占用的频谱资源以及相应的发射功率关 系如图 4所示, 其中高的实线白色立方体表示第一 类用户占用的频谱和相应的发射功率 P1, 低的虚线 红色立方体表示认知用户占用的频谱和相应的发射 功率 P2，从图中可以看出，认知用户将自己信号扩展 到了整个带宽，包括正在被第一类用户使用的那部 分频谱资源。 图 4 Underlay频谱共享资源配置 文献[3]和[4]对 Overlay和 Underlay 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行了 比较。当用户之间的干扰非常大或在假设有完全的 系统知识情况下，Overlay比 Underlay的性能更好。 但在更现实的情况下，认知用户感知能力有限，只能 获得部分系统知识，Overlay由于在频谱共享上的不 足，导致很差的性能。因此文献[4]中提出了基于扩频 的干扰避免 Underlay技术（混合技术），认知用户仍 然将信号扩展到整个系统带宽，但避开那些正在被 第一类用户使用的频谱资源，同时带给授权用户的 干扰可达最小化。该混合技术方案比纯粹的 Overlay 技术允许更多的节点接入。认知用户和第一类用户 占用的频谱资源以及相应的发射功率关系如图 5所 示，相应的立方体所表达的含义同 Underlay方式。 2.4网内和网际频谱共享 基于频谱共享范围的不同，频谱共享技术被分 �� � � ���� ���� � ���� ���� ���� � �� � � � � � � � � � � �� �� 35 esearch & Explorat ion 专业研究R MSTT July 2011 ···························· 为网内和网际两种类别[2]。网际频谱共享技术允许一 个网络内的认知用户共享其它网络内没有使用的频 谱资源，它是一种更广泛意义上的频谱共享行为，网 络结构如图 6所示。相应地，频谱共享行为仅局限于 单个网络内的认知用户间时，称之为网内频谱共享 技术，网络结构如图 7所示。 图 6 网际频谱共享 图 7 网内频谱共享 3 结语 本文中，我们分别从网络架构、频谱分配行为、 频谱接入技术和共享频谱的范围角度介绍了频谱共 享技术。集中式方案可以更好地兼顾到不同用户的 不同需求，以一种全局的观点优化频谱分配和接入， 分布式方案可能会引起系统性能的下降，但系统部 署的灵活性更大；合作式方案的优势在于它能够提 高频谱利用率和公平性，然而，如果考虑到诸如用户 之间频繁的信息交换这些成本开销的话，它的优势 就不是很明显了；Overlay技术利用频谱空洞进行数 据传输，理论上可以最小化对第一类用户系统的干 扰，Underlay技术采用了扩频技术来降低对主用户 系统的干扰，考虑到认知用户感知能力有限，只能获 得部分系统知识，混合技术应当优先考虑。总之，我 们很难用一句话去 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 哪种频谱共享技术最优，只 能综合考虑性能与代价，进行合理评估，选择一种最 合适的方案。 参考文献 [1]田峰. 认知无线电频谱共享技术的研究 [D].南京：南京邮电大 学，2007. [2] Akyildiz I F , Won- Yeol Lee. A survey on spectrum management in cognitive radio networks. IEEE Communications Magazine, 2008, 46(4): 40 - 48. [3] Menon R, Buehrer R M, Reed J H. Outage probability based compari- son of underlay and overlay spectrum sharing techniques [C]. in: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005:101- 109. [4] Etkin R, Parekh A, Tse D. Spectrum sharing for unlicensed bands[C]. In: Proc. IEEE DySPAN 2005, November 2005:251- 258. [5] Salami G, Durowoju O. A Comparison Between the Centralized and Distributed Approaches for SpectrumManagement. IEEE Communications Surveys &Tutorials, 2010, (99):1- 17. [6] Bany Salameh H A, Krunz M. Cooperative Adaptive Spectrum Sharing in Cognitive Radio Networks. IEEE/ACM Transactions on Network- ing, 2010, 18(4): 1181- 1194. [7] Javidi T. Cooperative and Non- Cooperative Resource Sharing in Net- works: A Delay Perspective. IEEE Transactions on Automatic Con- trol, 2008, 53(9): 2134- 2142. � � � � � � � � � � �� �� �� 图 5 混合方式频谱共享资源配置 ��� ��� ����� � � � � �� ������ �� �� � �� � MSTT 36