认知无线电频谱分配技术及其应用分析(6)

图进行分解，将list着色分解为多个子图的同时着色，由于各个子图都是简单图，对原图的list着色可以简化为对其子图的点着色，并且各个子图的着色可以并行执行。每个子图对应一种颜色(频谱)，从而使得频谱分配时间开销与频谱数目无关。通过仿真验证，该算法与原算法相比，在获得相同或相近的性能的同时降低了频谱分配的时间开销，适应了认知无线电系统快变的环境。通过结合用户的需求分析，本文还提出了基于需求的改进算法。该算法的目标是最小化未满足需求量，本文提出了两种设计方案，一种是基于退出机制的方案，另一种是通过引入需求因子，修改着色的标号优先级计算准则。通过仿真结果分析，基于需求的改进算法更能满足用户的需求，但是将带来一定的带宽效益损失。与基于退出机制的方案相比，基于需求因子的方案在获得相近或更优的性能的前提下，在系统带宽效益上的损失更小，所以是更优的方案。

3.3 频谱分配算法的比较

这个三种算法的优点和缺点。如表3-1：

表3-1 频谱分配算法的比较

优点 缺点 分类 列表着色算法 数学表达式 max??an.m n?1m?1颜色敏感的图论 着色算法 A??N,MmaxCSGC联合局部议 价的多小区频谱 分配算法 能够平均的分配度数低的节点获NM频谱资源和少节得的频谱资源较点优先分配 多，导致分配的公平性 能将不同频谱分时间耗费大，利用??an?1m?1NMn,m?bn,m 配给不同的用户，难度大。 使频谱的传输速率变快 CSGC算法的分配频谱分配受到认是在不考虑本次知用户位置移动、ratio?N M分配前的频谱分活动情况改变等配信息的情况下，因素的影响，网络独立地为每个认拓扑将动态改变，知用户分配频谱。 计算过程量大。 现有基于图论着色模型的认知无线电频谱分配研究中，可用频谱信息主要通过频谱感知获得，研究通常假设频谱感知准确有效，认知用户对可用频谱的使用将不对授权用户构成干扰。频谱分配只需要保证避免认知系统内可能出现的干扰。由授权用户活动引起的频谱环境的改变将通过频谱感知获得，在新的频谱分配过程中，通过新的频谱分配适应频谱环境的改变。

可以看到，现有的研究已经充分认识到了频谱资源的差异性，但现有研究中对频谱资源差异性的利用还不充分。由于认知无线电系统中的频谱资源，受到频谱频率、不同认知用户位置、不同时刻的频谱环境等因素的影响，频谱资源具有空间差异性与时间差异性的特点。频谱的空间差异性就是同一时刻，同一个频谱，对位置不同的认知用户具有不同的效益；频谱的时间差异性则表示为同一个频谱对同一个认知用户在不同的时刻也具有不同的效益。

第四章 CR频谱分配的应用

4.1 应用场景

(1) 军事

认知无线电设备不需要如商用系统中的基础设施就可以和我方的其它设备进行通信，能够根据环境变化自我调整参数以保证通信质量，能够和不同无线电标准的设备进行通信，能够检测出敌方的传输等。美国国防部最近几年已经投入了大量人力物力进这方面的研究。

(2)公共安全

当紧急事件发生时，分配给公共安全的频谱通常很快会被突发的各种通信阻塞，并且各个应急部门之间由于所拥有的频谱不同很难互相进行通信。有了认知无线电技术后，当紧急事件发生时就可以利用空闲频谱维持通信，不会因为负载过大而阻塞，而且还可以实现不同应急部门之间的通信。

(3)商业

认知无线电虽是较新的概念，但其思想己在无线通信的许多领域得到了应用，如：工作于4．5MHz左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免使用已占用的信道：非授权的个人通信业务(PCS)设备在传输数据之前预先侦听频谱的占用情况，以避免对其他非授权设备造成干扰；高速下行分组接入，edma2000网络都采用一种认知调制过程，根据用户的服务需求和频谱环境，设定其最有效的传输参数[6]。

IEEE802．22工作组已将CR技术确立为无线区域网络(Wireless Regional AreaNetwork，WRAN)的核心技术，其目标在于通过开发认知无线电技术，以不对TV广播产生干扰的方式使用Tv广播频段，实现无线区域接入(Wireless Region AccessNetwork,WRAN)的物理层和介质访问控制层技术标准。

由于WiMAX(IEEE802. 16a／e)缺乏可用频段，IEEE专门成立了802．16h工作组，致力于改进如策略、MAC增强等机制，使WiMAX适用于UHF电视频段，利用认知无线电技术确保基于WiMAX的非授权系统与授权系统之间的存在。

将CR技术应用于超宽带系统中，通过感知潜在干扰，自适应地选择脉冲波形，可在很大程度上减小UWB系统与传统窄带系统之间的干扰。同时，通过采

用分布式波形自适应算法及脉冲软件智能无线电等技术可实现直序列超宽带(DS—I rWB)和多频带正交频分复用(MB—OFDM)两种UWB标准的互通，其目的是应用自适应脉冲波形生成技术，解决IEEE 802.15a物理层DS—I，WB和MB．OFDM两种可选技术标准竞争陷入僵局的问题[12] 。由于UWB系统与传统窄带系统之间存在着不可避免的干扰，将CR技术与UWB技术相结合以解决干扰问题已成为近几年研究的热点。

4.2 CR典型应用

CR的概念虽新，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。典型的例子有：工作与45MHz左右的无绳电话采用一种信道自动选择机制避免使用已占用的信道；免授权的个人通信业务（PCS，Personal Communication Service）设备在传输数据之前预先侦听频谱的占用情况，以避免对其他的免授权设备造成干扰；工作于5GHz频段的IEEE 802.11a网络，采用动态频率选择（DFS，Dynamic Frequency Selection）和发送功率控制（TPC，Transmit Power Control）机制，避免与雷达信号的干扰。此外，高速下行分组接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）、CDMAlx EvDO网络都采用一种认知调制过程，通过确认用户需要的服务，识别用户在工作的最佳环境，进而设定最有效的调制方案、数据速率及发送功率等以满足用户服务质量（QoS，Quality of Service）需求，但以上这些具有基本认知能力的技术只是CR功能的极小一部分，这些技术可以按渐进的方式扩展直到实现CR承诺的全部性能。

在CR功能的演进过程中存在多种不同的认识。一种认识的代表是以Mitola为首的瑞典皇家科学院[4]，他们强调软件定义无线电（SDR，Software Defined Radio）是CR实现的理想平台。CR使SDR从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。它可通过无线电知识描述语言(RKRL，Radio Konwledge Representation Language)采用基于模式的推理方式与网络进行智能交流，因此其认知功能的实现主要在应用层或更高层。但这种认识缺乏相应的具有认知功能的物理层和链路层体系结构的有效支掌；还有一种认识是以Rieser为首的维吉利亚技术中心提出的[6]，他们认为Mitola提出的基于人工智能的认知系统受限于硬件平台的计算能力，且不能够适应快速变化的网络。Rieser指出CR不一定需要SDR的支撑，采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒

体接入控制（MAC，Media Access Control）子层的演进过程建模，更适用于可快速部署的灾难通信系统。但他们仅考虑了单个CR引擎节点的操作，没有涉及引擎节点在CR网络中的行为。FCC提出的CR功能是以上两种认识的一个相对简化的版本[7]。它建议任意一无线电只要能够具有自适应频谱感知功能就可称为是CR。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用CR技术现实开放频谱系统，即合法的授权用户（也称主用户）具有高的优先权接入频谱，而具有CR功能的非授权用户（也称次用户或CR用户）可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入频谱。目前CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等。

目前人们对CE和SDR的关系基本达成共识：SDR具有相当的灵活，但相比CR缺乏一定的智能。二者主要区别在于CR自适应频谱环境，SDR自适应网络环境。CR的实现不一定需要SDR的支撑，但如果借助于SDR，则CR会具有更多潜在的优势。

(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4-1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。

无线环境 发射信号 射频激励 射频激励 频谱资源 频谱空洞

频谱感知 信道吞量 频谱空洞 频谱分析

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