认知频谱管理及其组网技术.doc

认知及其组网技术 摘要　文章首先对认知进行了简单的介绍，包括其部分关键技术和工作过程等；然后对其组网技术进行了简单的介绍，包括组网方案和用户间的通信过程。 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源特别是3GHz以下的频谱资源变得越来越紧张。由于无线局域网技术、无线个域网技术的出现，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网和电信网。而这些技术大多使用非授权的频段工作，进而使得这些频段趋于饱和；但是另外一些授权频段（比如广播电视业务频段）需要电信网络给予一定的保护，以避免对其形成干扰。这样就导致了这些专用频段使用效率非常低，而恰恰这些授权的频段还占了频谱资源的一大部分，无形中造成了频谱资源的巨大浪费。图1是美国伯克利大学频谱管理研究中心（BWRC）获得的0～6GHz频段内的频谱利用情况[1]，由图1可知，一些频带大部分时间内并没有用户使用，另外一些频带也只是在部分时间内才被占用，剩余的一小部分频带却被很多不同的用户来竞争使用。事实上，频谱资源的紧张并不是找不到用以通信的频段，而是因为频谱资源分配不合理造成的。提高频谱利用率，在各个地区内充分利用有限的频谱资源越来越成为通信专家们关注的焦点。 图1　市区6GHz以内的频谱资源使用情况 为了解决频谱资源“匮乏”的问题，其基本思路就是尽可能的提高频谱资源的利用率。为此，瑞典皇家技术学院Joseph Mitola博士提出了认知频谱管理的概念[2]。从这个意义上说，认知频谱管理提出的初哀就是为了提高频谱利用率，使具有认知功能的无线通信设备具有发现“频谱空穴”并利用其进行通信的能力 1、认知频谱管理的关键技术简介 从比较完整的意义上讲，认知频谱管理系统应该具备检测、分析、学习、推理、调整等功能，而这些功能的实现需要一系列的技术来支持，主要包括干扰温度的界定与测量、动态频谱分配、传输功率控制以及原始用户检测等，现一一进行简要介绍。 （1）干扰温度 干扰温度是由FCC提出来的，用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户接收机产生的干扰。系统设定一个保证授权用户正常运行的干扰温度门限，该门限由授权用户能够正常工作的最坏信噪比水平决定。非授权用户被当作为授权用户的干扰，一旦包括非授权用户信号在内的累积干扰超过了干扰温度门限，授权用户系统就无法正常工作；反之，可以保证授权用户与非授权用户同时正常工作。 （2）动态频谱分配 由于CR网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的，传统的语音和无线网络的动态频谱分配方法不完全适用。另外，要实现完全动态频谱分配受到很多政策、标准及接入协议的限制，因此目前基于CR的DSA的研究主要基于频谱共享池这一策略。频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信道，因此信道是频谱分配的基本单位[5]。为规定用户之间选择频谱的协商机制，Mitola提出了标准的无线礼仪协议的初始框架。博弈论，是一种有效的分析实时认知用户交互过程的工具。 （3）传输功率控制 采用CR技术实现频谱共享的前提是必须保证对授权用户不造成干扰，而每个分布式操作的认知用户的功率分配是造成干扰的主要原因，因此需要探索适用于CR技术的分布式功率控制方法。 （4）原始用户检测 在认知频谱管理中，原始用户的检测是一个非常重要的方面。在实际中，往往会出现这种情况，当正在工作的授权用户的功率水平很低或是受到屏蔽而无法被认知频谱管理系统及时有效的检测到时，认知频谱管理系统会认为授权用户正在使用的频带为一个或多个“频谱空穴”，从而试图在该频段上建立自己的通信，这时就可能发生认知频谱管理用户强行占用已授权频谱的问题，而这一问题在认知频谱管理工作过程中是绝对不允许出现的。 2、认知频谱管理中的组网技术 认知频谱管理网络是一个智能多用户无线通信网，它的基本特征主要体现在以下几个方面： （1）通过CR用户接收机对周围环境的实时监测达到对频谱管理环境的掌握； （2）通过对通信环境的学习实时的调整频谱管理收发机的射频前端参数； （3）通过多用户之间以自组织形式的合作使通信过程更加顺畅； （4）通过对资源的合理分配对有竞争关系的用户的通信进行控制，使每个通信过程都能顺利进行。 2.1　认知频谱管理网络 发射机如何在动态环境下精确的定位接收机是认知频谱管理的一个主要研究方面，这取决于认知频谱管理的组网方案。一般情况下，认知频谱管理的组网方案有以下几种[6]： （1）中心控制结构 其主要特点是发射信号的控制设计相对简单，但受制于基站的建立，如图2所示： 图2　中心控制结构 （2）分布式控制结构 其主要不足是发射信号的控制设计相对困难，而且网络组建技术还不成熟，如图3所示： 图3　分布式控制结构 （3）网状控制结构 其主要特点是本地通信采用Ad-hoc路由，非本地通信利用