认识无线电的频谱管理.ppt

认知无线电的频谱管理技术 信息工程学院 1 引言 认知无线电（CR，Cognitive Radio）的概念最早由J.Mitola提出，旨在通过对无线频谱环境的感知，从时间和空间上重新利用那些空闲的频谱，实现动态重用以提高现有频谱资源的利用率，解决目前固定的频谱分配政策导致的频谱资源不合理利用的问题。 在CR技术中，通常称工作频段的授权用户为主用户，而认知用户为从用户，从理论上讲，从用户可以在不影响主用户正常通信的基础上随机接入空闲频段实现有效通信。 CR技术需要从本质上改变一直以来的静态频谱分配策略，如何有效动态地管理频谱资源成为CR的关键技术之一。 2.频谱管理的过程 （1）广义：CR中的频谱管理技术指所有与频谱相关的技术，包括频谱感知、频谱分析、频谱决策、频谱共享、频谱分配、频谱移动、频谱切换、频谱共存、频谱接入等。 （2）Simon Haykin定义：频谱管理也叫频谱分配，在发射端实现，实时探测当前工作区域内的无线环境，根据探测的结果，对频谱资源进行分析和评价，确定时间和空间上可用频谱资源，并根据一定的规则对频谱资源进行共享和分配 。 如图1所示：首先，通过频谱感知对无线传输场景进行检测，标识特定时间和空间的未使用频谱资源；接着分析由频谱感知获取的频谱空洞的特征，根据用户信道状态估计及其容量预测选择合适的频段传输参数，完成频谱决策；当可用频谱发生变化时，则改变工作频率，进行频谱移动。 图1 3 频谱管理技术 频谱感知是频谱管理的前提，也是CR应用的基础Simon Haykin在文献[2]中把频带分成三个区域：大部分时间内没有被用户使用的频带称为“白色区域”；部分时间内被用户占用的频带称为“灰色区域”；大部分时间内被多个用户竞争使用的频带称为“黑色区域”。“白色区域”和“黑色区域”称为“频谱空洞”，频谱感知的主要任务是探测频谱空洞。 在频谱感知的基础上，频谱分析根据频段的干扰等级、路径损耗、链路层延时和信道占用时间等参数，在一定的空域、时域和频域对频谱空洞的特征进行估计，为后续的频谱决策提供依据。在CR中，频谱被划分成不同的信道，每个信道作为频谱使用的一个基本单元，因此，信道状态估计和信道容量预测成为频谱分析中最重要的工作。通信信道的状态估计方法有两种，直接利用数据的盲估计和基于导频的非盲信道估计。目前，基于此两种方法的半盲训练法能使信道状态估计的性能和带宽资源折中。H.Tang提出了基于OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，正交频分复用）的认知无线电系统中的信道容量估计方法，可以在任何目标主用户上有效工作而不需考虑信道配置。 定义：频谱决策是在完成频谱感知和频谱分析的基础上，根据用户的QoS需求和决策准则，确定一组合适的通信载频、通信体制、通信参数和发射电平。 频谱分配：目前，对频谱决策的研究主要是对频谱分配的研究；频谱分配基于频谱的可用性，根据一定的规则，给节点分配信道；在频谱分配中，设计一个分配规则以提高节点性能是一个重要的研究课题。 频谱分配的两种算法 (1)合作式频谱分配：合作式频谱分配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。优点：合作式的方法考虑了公平性，提高了频谱的利用率和网络的吞吐量。缺点：要求用户间信息共存，会引入额外的通信开销。 (2)非合作式频谱分配；非合作式频谱分配也称为自私的解决方案，指的是节点通信时不考虑对其它节点的影响。优点：基于本地的规则执行，因此能大大减少通信的开销。缺点：导致频谱利用率下降。 (1)当主用户与当前认知用户的工作频段冲突时，认知用户需要腾出信道给主用户，再寻找新的空闲信道进行通信； (2)如果认知用户从一个地方移动到另一个地方，则可能会因为可用频谱的变化而进行频谱切换； (3)若当前通信信道的质量变差，则需要切换到质量更好的信道 。 (1)由于频谱移动会使通信的链接中断，接入新的信道也会有延时，因此频谱移动会带来链路层延迟。更高层也会受到频谱切换的影响，造成整个系统性能的下降。 (2)频谱移动会使系统工作在不同的频率上，网络协议栈不同层服务的协议必须能够与新的工作频率的信道参数（如带宽、数据率、调制方式、信道编码方式和干扰）相适应；这就需要频谱移动性管理协议对频谱移动和相关的反应时间进行处理，以确保过渡时更加平稳和快速，使认知用户在频谱移动时性能下降达到最小。 5 结束语 通过频谱管理技术实现的频谱共享，可以利用大多数的频谱资源，包括移动通信、广播电视等所使用的频段，它体现了通信技术从网络化向智能化的发展，是认知无线电的功能得以实现的基础 认知无线电中的频谱管理技术从理论到实现还有很漫长的路，有待科研工作者深入的探索 * 一 定义 二 频谱管理的过程 图1 认知无线网络的频谱管理