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认知无线电通信与网络1
认知无线电通信与网络
认知无线电网络中的频谱管理研究
摘要认知无线电网通过异构无线结构和动态频谱接入技术给移动用户提供高带宽。
然而，由于可用频谱的波动性，以及各种各样应用的服务质量的要求，都给CR网络构成了挑战。
频谱管理功能可通过了解这一新的网络模式来解决这些挑战。
为了更好的理解CR网络，本文介绍了CR网络最新的发展和在CR网络中频谱管理方面的开放研究课题。
更具体的说，讨论的重点是需要在不修改现有网络的基础上发展CR网络。
首先，本文简要概述了认知无线电网络和提供的CR网络的框架；紧接着，对频谱管理的四个主要挑战进行了讨论：
频谱感知，频谱决策，频谱共享，频谱流动性。
引言
当前无线网络频谱分配的特点是静态分配，政府机构按大的地理区域把无线频谱长期地分配给许可证持有人。
最近，由于频谱的需求量增加，这项政策面临着在特殊频带上的频谱稀缺。
相反，一大部分被分配的频谱被零星地的使用，这也导致了相当数量的频谱利用不足。
因此，最近提出的动态频谱接入技术可以解决这些频谱利用率低的问题。
动态频谱接入技术的关键可行性技术是认知无线电（CR）技术，无线电技术可以使得以随机的方式和授权用户方式分享无线频道。
人们构想CR网络能够通过异构无线结构和动态频谱接入技术给移动用户提供高带宽服务。
这个目标仅仅通过动态和高效的频谱管理技术就能实现。
然而，对于CR网络，由于可用频谱的高波动性，以及各种应用对于服务质量（QoS）的要求都增加了一些特殊的挑战。
为了应对这些挑战，在CR网络中的每一个CR用户都必须：
•确定频谱的哪些部分是可利用的
•选择最佳的可利用的频道
•与其他用户协调进入这个频道
•当授权用户检测频道时，释放此频道
这些都可以通过频谱管理功能来实现，即解决四个挑战：
频谱检测，频谱决策，频谱共享，频谱移动。
本文介绍了CR网路中频谱管理的相关定义、功能和当前研究所面临的挑战。
更具体的说，集中讨论在不修改现有网络参数的基础上发展CR网络，介绍相关CR网络的技术概要和CR网络的框架结构。
解释频谱管理的概念和功能要求。
然后，描述了频谱检测，频谱决策，频谱共享和频谱移动的概念。
认知无线电技术
CR网络的可行性关键技术是认知无线电技术，它可以使得以随机方式来共享频带。
形式上，CR被定义成一个基于与环境进行交互来改变其发射机参数的无线电。
基于上述定义，认知无线电的两个主要特点可以定义为：
•认知能力：
通过实时与无线电环境的相互作用，在特定的时间或位置一部分未被使用的频谱可以被识别。
如图1a所示，CR能使为频谱空穴或的暂时闲置的频谱能够被使用。
因此，最佳的频谱可以被选择、分享和利用，且不会受到授权用户的干扰。
图1CR网络概览a）频谱空穴b）CR收发结构
•可重构性：
一个CR可以被设定来传送和接收多种多样的频率，并且使用基于硬件设计的不同接入技术。
通过这一功能，可以选择最佳的频谱以及重新配置最佳的操作参数。
为了提供这些功能，CR需要一种新颖的射频（RF）收发器架构。
CR收发器的主要组成部分即收发器是射频前端和基带处理单元，它最初用来提出软件无线电（SDR），如图1b所示。
对射频前端的接收到的信号进行放大，混合，模拟至数字（A/D转换）转换。
在基带处理单元，信号进行调制/解调。
每个组件都可以通过控制总线重新配置，以适应随时间变化的射频环境。
该收发器的CR新特征是射频前端宽带同时能够在宽频范围内检测。
此功能主要以射频硬件技术为主，例如宽频带天线，功率放大器，以及自适应滤波。
CR的射频硬件应该有被调整到任何一个大范围的频谱部分的能力。
但是，由于CR收发器接收来自不同接收机以及不同功率等级，带宽，和地点的信号;射频前端应具有检测出大范围弱信号的能力，这是CR收发器在设计时的一个主要挑战[5]。
认知无线电网络体系结构
全面介绍CR网络体系结构对于解决动态频谱和通讯协议的发展是很有必要的。
本节就介绍了CR网络结构。
网络组件
CR网络架构的组成部分如图2所示。
可分为二组：
主网络和CR网络。
主要网络（或授权网络）简称为现有的网络，主用户在一定频段有一个许可证。
如果主网络有基础设施，则主要是通过初级基站控制用户活动。
由于他们的优先频谱接入，授权用户不会受到影响。
CR网络（也称为动态频谱接入网络，二级网络，或无牌经营的网络）在所分配的频段没有被授权，因此，对共享许可频段的CR用户需要附加的功能。
CR网络也可配备提供单跳连接到CR用户的CR基站。
最后，CR网络用户可能包括频谱分布过程中起重要作用的频谱资源之间的不同的CR网络。
非均质性谱
CR用户都能够同时访问主用户所使用的频谱授权部分和宽带接入技术的未授权部分。
因此，对CR网络的操作类型可分为授权波段操作及未授权波段操作。
•授权波段操作：
许可频段主要被基本网络使用。
因此，CR网络在这种情况下主要集中于主用户的检测。
信道容量取决于主要用户附近的干扰。
此外，如果主用户显示在由CR用户占用的频段上，CR用户应腾出的频谱带并立即转移到其余可用频谱。
•未授权波段操作：
在缺乏基本用户情况下，CR用户有相同的优先等级获得频谱。
因此，精密频谱共享的方法需要对CR用户争夺未授权频段。
网络的异构性
如图2所示，无线认知网络用户有机会表现出三个不同的访问类型：
•CR网络访问：
CR用户可以在经许可和未许可的频段内都可以访问自身的CR基站。
由于所有的联系都是CR网络内的相互作用，其频谱共享政策可独立于主网络。
•CR特别存取：
CR用户可以通过特设授权和未授权的其他CR用户通信。
•主要网络访问权限：
CR用户可以通过被许可的频段访问基站。
不同于其他的访问类型，CR用户需要一种适当的媒介存取控制（MAC）协议，在不同的接入技术的多个主网络间漫游。
根据如图2所示蜂窝结构，在CR网络中各种功能都需要频谱管理的支持。
频谱管理框架及其组成的综述将在以下介绍。
图2认知无线网结构体系
频谱管理框架
由于和主要网络并存以及各种“服务质量”的要求，认知无线网迎来了特殊的挑战。
因此，新的CR网络频谱管理都需要具有以下关键设计：
•干扰的避免：
CR网络应避免与原网络的干扰。
•服务质量的意识：
需要选择一个合适的频段使CR网络支持服务质量的通信。
考虑动态和不同的频谱环境。
•持续通信：
CR网络应提供持续的通信，无论用户是否通信。
为了应对这些挑战，我们提供不同功能所需的频谱管理网路的CR目录。
频谱管理过程需要四个步骤：
•频谱感知：
一个CR用户能够分配一个唯一的未使用的频谱。
因此，一个CR用户应该监测可用频段，捕捉他们的信息，然后检测频谱空穴。
•频谱决策：
基于频谱的可用性，CR用户可以分配一个信道。
这种分配不仅取决于可用的频谱，并且也取决于内部（外部）的决策。
•频谱共享：
因为可能有多个CR用户试图访问同一频谱，CR网络存取应该加以协调，以防止多个用户在频谱部分的重叠。
•频谱流动性：
CR用户被视为访问的频谱。
因此，如果某一正在利用的特殊部分的频谱又被另一个基本用户需求，通信必须在另一个空闲频段继续。
对于CR网络频谱管理框架如图3所示。
.很明显，从很多重要的相互作用来看频谱管理功能要求是一种跨层设计方法。
在下面的章节中，我们讨论四个主要频谱管理功能。
图3认知无线网的频谱管理框架
频谱感知
认知无线网的设计用于了解和感觉周围环境的变化，这使得频谱感知是认知无线网实现的重要需求。
频谱感知能够通过探测出频谱空穴使CR用户适应环境，这种探测不会导致对主网络的干涉。
这可通过实时遥感探测查出宽频范围内微弱信号的主要带宽。
一般来说，频谱感知技术可分为三类：
主发射机检测，主接收机检测和干扰温度管理。
如下所述：
主发射机检测
发射机检测是基于微弱信号检测的，它们通过主要发射机以当地的CR用户的意见为依据。
三项计划一般用于发射检测：
匹配滤波器检测，能量检测和特征检测[5]:
•匹配滤波器检测：
当信号信息的主要用户是已知的CR用户，匹配滤波器在平稳高斯噪声时为最佳检测器。
然而，匹配滤波器需要知道主用户信号的先验特征。
•能量检测：
如果不能及时收集主要用户信号的充分信息，最佳检测器是一个能源探测器。
然而，能量探测器的不确定性表现在易受噪声功率影响。
此外，能量探测器经常发生误报而引发意外的信号，因而不能用它们区分信号类型。
•特征检测：
在一般情况下，调制信号的特点是内置的周期性或平稳的循环性。
此特性可通过分析一个谱相关函数检测出[7]。
特征检测的主要优点是在噪声功率中的鲁棒性和不确定性。
但是，它计算复杂，需长时间观测。
由于缺乏主用户和CR用户的相互作用，发送器检测技术只靠从主发射机的微弱信号。
因此，发射机检测技术由于缺乏如图4a所示的主要接收机信息而不能避免主要接收机信息的干扰。
此外，发射器检测模型并不能防止隐藏终端的问题。
一个CR用户（发射机）能有一个良好的视线线到CR接收器，但由于阴影可能无法检测到主发射机，如图4b所示。
因此，感知其他用户的信息需要更精确的主发射机检测-协同探测。
协同探测理论上更加准确，因为单个用户的不确定性可以通过协同减至最低[8]。
此外，多径衰落和阴影效应可以被减轻，以便检测概率能在严重的阴影环境中得以改善。
然而，由于网络拥塞需要合作，而合作会对资源约束产生不利影响。
主接收机检测
尽管协同探测能减少干扰的可能性，但检测频谱空穴概率的最有效方法是检测主要用户在所收到的CR用户通信范围内的数据。
实施是不重要的，目前，这种方法只在电视接收器检测是可行的。
图4发射机检测难题a）接收机的不确定性b）屏蔽不确定性
通常情况下，本地本地振荡器的泄漏功率可以被利用，该功率是由射频前端的主接收机的散发的。
但是，由于本振泄露的信号很微弱，一般的检测器没有那么准确。
目前，这种方法只在电视接收机检测中是可行的。
干扰温度的控制
传统上，发射机的干扰可以通过辐射功率及个别的发射机的位置来控制。
然而，干扰实际发生在接收机内，如图4所示.所以，最近一个称为“干扰温度”的测量干扰新模型已经被美国联邦通讯委员会（FCC）提出[1]。
这个模型通过限制干扰温度来限制接收机处的干扰，这样使得大量新的接收机的干扰可以被接受。
只要认知无线电用户不要超过这个限制，那么就可以使用这个频段。
虽然这个模型最适合频谱感知的目标，但是这种模式的难点在于确定干扰温度的限制。
频谱感知的挑战
这里存在一些关于频谱感知技术发展的开放性研究的挑战应该被研究：
•干扰温度的测量：
由于主网与认知无线电网络缺乏交互作用，一般的认知无线电用户不能知道主接收器的精确位置。
因此，一个新的技术被用来测量或估计主接收器的干扰温度。
•用户网络的频谱感知：
多用户环境由多个认知无线电用户和主用户组成，使之更难以感知频谱空穴和估计干扰。
因此，发展频谱感知功能应考虑多用户环境。
•频谱效率的感知：
传输数据包时感知无法执行，因此，认知无线电用户在感知时应该停止传输，以免降低频谱效率。
出于这个原因，如何平衡频谱效率和检测精度是一个重要的议题。
此外，由于感知时间直接影响到传输性能，最新的频谱感知算法必须使得感知时间在给定的感知精度下是最小的。
频谱决策
认知无线电网络要求有这个功能，即根据用户的服务质量的要求选择可利用频段中的最佳的频带。
这种概念被称为“频谱决策”并且组成在无线电网络中相当重要但至今未被开发的课题。
频谱决策与信道特性和主用户的操作有密切的关系。
此外，频谱决策收到网络中其他认知无线电用户活动的影响。
频谱决策包括两个步骤：
首先，每个频段被表征，不仅基于认知无线电用户的观测而且也基于主网的统计资料。
接着，在这种描述的基础上，最合适的频谱可以被选择。
下面我们在认知无线电网络中研究信道特性，决定程序及研究挑战。
认知无线电网络信道特性
由于随着时间变化可用频谱空穴呈现不同特点，每个频谱空穴应同时考虑随时间变化的无线环境和频谱参数，如工作的频率和带宽。
因此，有必要定义参数以代表如下所示的特定频段：
•干扰：
从初级接收器的一定数量的干扰，一个CR用户的允许功率能被派生。
这被用作信道容量的估计。
图5多谱决策的信道结构
•路径损耗：
路径损耗和传播距离和工作频率密切相关。
工作频率增加，路径损耗也相应增加，从而造成覆盖范围的减小。
如果因为补偿路径损耗而增加发射功率，则会有增加其他用户干扰的可能。
•无线连接错误：
由于带宽的不同调制体制和干扰门限，信道的误码率会不同。
•链路层延迟：
为了解决不同的路径损耗，无线链路错误和干扰，不同类型的链路层协议要求不同的频谱带宽，这会引起不同的链路层延迟。
但这有利于定义频谱带宽，它包含了所有用于精确确定频谱的特征参数。
然而，一个完整的用于分析和建模的认知无线电网络还没有被开发出来。
决策过程
在可用带宽被标定之后，考虑到QoS要求和频谱特性最适合的频带应该被选定，因此，传输模式和带宽可被重新配置。
为了描述无线认知网的动态特性，一种新的标准——初级用户活动被提出[10]，在CR用户的传输中，他被看作是概率的定义。
由于某一频段在CR用户的整个通信没有保证，所以，在带宽上考虑初级用户的使用频率变得非常重要。
然而，由于主要网络的运营，CR用户在很长时间内不会得到可靠的通信信道。
此外，CR用户可能无法检测到任何一个频段以满足要求。
因此，在无线认知网上可有多个不连续的频带同时传输，如图5所示。
这种方法可以创建一个具有高数据吞吐量且具有抗干扰能力的信号，即使频谱在某一频段发生切换，其他频段将会维持当前的传输。
频谱决策的挑战性
在频谱决策功能的发展过程中，依然存在几个尚未解决的难题：
•模型的定义：
在无线认知网中使用信噪比估计频谱容量不能有效地表征频谱带宽。
此外，不同应用要求不同的QoS。
因此，设计应用型和自适应频谱决策模型仍是一个悬而未决的问题。
•合作与重构：
在一定频段，无线认知网技术使得传输参数能够被重构，使其更优化。
举例来说，即使信噪比改变，误比特率和误码率能够通过自适应调制技术得以维持，因此，频谱决策需要合作重构框架。
•基于异构频谱的频谱决策：
当前，某些频段用于不同的场合，而一些频段仍未被利用，因此，一个CR网络在经允许和未经允许的波段内应该支持频谱决策操作。
频谱共享
无线信道的共享特性要求在CR用户中同等传输。
在这方面，频谱共享应包括大部分的MAC协议。
此外，CR用户的独特特征，如CR用户和授权用户大范围频谱的共存，在频谱共享方面将招致实质性的挑战。
如今，频谱共享的目的是应对如下四个方面的挑战：
建筑、频谱分配行为、频谱接入技术和范围。
图6在认知无线网络中互联网和网间互联的频谱共享
第一种是根据集中式或者分布式结构体系分类的：
•集中式的频谱共享：
频谱分配和接入过程受中央控制器控制。
然而，一个分布式的过程可以用于诸如对中央控制器频谱分配测量，于是，一个频谱分配表就形成了。
而且，中央控制器在一个有限的地区和特定量的时间分享频谱给用户，因此，除了频谱的竞争之外，用户的竞争可能也会被考虑是通过一台中央频谱标准服务器来实现[6]。
•分布式的频谱共享：
频谱分配和接入是根据当地的（或者可能是全球的）标准，这个标准是由每一个节点分布情况确定的[11]。
分配方案也被应用于不同的网络，这样一个基站和相邻的基站子系统就会竞争，因此，根据它的用户的服务质量要求分配部分的频谱资源。
最近，关于对比集中式和分布式的解决方案的研究揭示了分布式方案通常紧密的跟随集中式方案，但是它是以牺牲节点之间信息交换为代价的[12]。
第二种分类是根据分配原则,光谱的接入分为可以合作或者不合作两种类型。
•合作频谱共享：
合作（或协同）解决方案利用每个节点的相干测量，这样应该考虑当一个节点通信时对其它节点通信的影响。
应用在这些计划中的常规技术是形成一个群来共享信息源的干扰性。
这种地方化的操作在全集中化和分布式方案中提供了一种有效的平衡。
•非合作频谱分享：
在非合作（或者非协调的，独享的）式的解决方案中仅仅有一个节点需要考虑，因为在其它的CR节点相干性不被考虑的情况下，不合作的解决方案可能导致频谱利用率的减少。
但是，与合作式的解决方案相比，这种解决方法不要求在相邻的节点之间进行频繁的信息交换。
合作方法通常优于不合作的方法，同时紧密的接近国际化最佳的方案[12]。
而且，合作技术体现出一定程度的公正，并且提高了吞吐量。
另一方面，不合作方法性能的降低通常是通过用有重要意义的低速信息交换被抵消的，并且能量也消耗。
在CR网络中频谱共享的第三种分类是根据接入技术进行的[14]：
•覆盖物频谱共享：
节点访问网络使用资源一小部分频谱，这部分频谱是准许的用户未使用的。
这使得干扰对主网络减小到最小程度。
•衬底频谱共享：
频谱展宽技术被用在准许用户认为CR节点传输没有噪声的情况下。
衬底技术用在以牺牲轻微的增量提高带宽利用率的复杂的系统中。
权衡这种得失，在CR网中对频谱接入技术使用混合技术。
最后，频谱共享技术通常有两种类型的解决方案：
在一个CR网络实现频谱共享（网间网络频谱共享）和面对多共存的CR网络（互联网络频谱共享），解释如下：
•网间网络频谱共享：
这些方案集中在整个CR网络中进行频谱分配，如图6所示。
相应地，一个CR网络用户在没有对主要用户导致干扰情况下尽可能接入可以利用的频谱。
网间网络频谱共享有独一无二的挑战性，这种难题在先前的无线通讯系统中没有考虑。
•互联网络频谱共享：
CR结构体能够在重叠的地点和重叠的频谱使多系统共享，例如图6所示。
到目前为止，在包含某种操作标准下，互联网络频谱共享解决方案对频谱共享概念提供更加宽广的见解。
下一步，我们描述潜在的挑战并且打开这方面的研究问题。
频谱共享挑战
在CR网络中，对于高效率和无缝的开放式频谱管理的认识，有许多开放性研究性问题，例如：
•普通的控制信道：
一个普通的控制信道（CCC）设备有许多频谱共享功能。
然而，因为当一个主要用户选择一个信道时，一个信道必须空闲，一个确定的普通控制信道的补充是不能实现的。
此外，在CR网络中，信道对于所有的用户在拓扑结构上具有高度的依赖性，并且随着时间推移而信道变化[15]。
所以，无论是提出普通控制信道缓解技术还是利用本地的普通控制信道用于节点群。
•动态电磁波变化：
由于在无线电变化和操作频率之间具有相互依赖，当操作频率的变化时相邻节点可能改变。
到目前为止，在CR网络中没有有效的建议来解决这一重要的挑战，我们主张频率感知和频谱共享技术。
到目前为止，有没有工作在CR网络解决这一重要的挑战，我们主张频率感知频谱共享技术。
•频谱单位：
几乎所有频谱都需要考虑渠道共享技术。
频谱作为基本单位，该定义一个通道作为频谱单位发展的关键算法。
•位置信息：
一个对现有的工作重要的假设是在二级用户知道位置和传输力量的主要使用者以至于干扰计算可以轻松完成。
然而，在CR网络中这样的假设可能并不总是有效的。
频谱流动性
频谱管理的第四步，之前讲述的是频谱移动性管理。
经过CR捕获最佳频谱，在选定的主用户活动频谱，用户可能需要改变其工作频段（S）等。
这被称为频谱的流动性。
频谱的流动性在CR网络中产生了一种新的切换类型。
针对不同层次的协议，网络堆栈必须适应其频道参数，如工作频率。
此外，它们对频谱切换以及相关的延迟来说应该是透明的。
CR用户每次改变工作频率时，可以通过操作网络协议的参数进行。
在CR网络中频谱流动性管理的目的是确保当频谱切换时顺利、快速转换从而使最低性能下降。
频谱移动管理是关于一些频谱切换的一个重要的技术。
这些信息可以提供检测算法。
检测过后信息是可用的，持续的流通可以只保留最低限度的性能。
CR网络的一个内在特点产生了两个新的概念：
频谱流动和频谱切换。
到目前为止，没有任何的研究工作是用来解决频谱切换问题的。
虽然基础切换机制已经在蜂窝网中被研究且为这一领域奠定了基础，但在CR网中认识待研究的开放课题。
频谱流动性挑战
以下是在CR网络的高效频谱移动性能在开放性研究的课题：
•时域频谱流动性：
CR网络基于可用频段来适应无线频谱。
由于这些可用频谱随时间变化，在这个方面启用QoS是一项挑战。
•空域频谱流动性：
可用频率从一个地方到另一个地方的改变。
因此，连续频谱的分配是一个重大的挑战。
结论
通过充分利用现有的无线频谱资源，CR网络正在制定解决当前无线网络存在的问题，从有限的可用频谱和无效的频谱使用。
CR网络配备的内在认知无线电能力，它将是在无线通信中提供最终频谱感知的通信模式。
本次调查提出了在CR网络中频谱管理的内在性能和目前研究的挑战。
特别是探讨新的频谱管理，如频谱感知，频谱决策，频谱共享，频谱流动性。
许多研究人员目前正在从事对CR网络通信技术开发和协议的制定。
但是为了确保通信的有效性，需要更多的研究在本次调查中采用。
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