認(rèn)知無線電接入機(jī)制淺析

鞍山市無線電監(jiān)測計(jì)算站　丁百卉

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認(rèn)知無線電接入機(jī)制淺析

鞍山市無線電監(jiān)測計(jì)算站丁百卉

0　引言

近年來，認(rèn)知無線電(Cognitive Radio 即CR)的研究一直被無線行業(yè)所關(guān)注，可以說該技術(shù)是目前較為熱點(diǎn)的無線電技術(shù)。因?yàn)闊o線通信業(yè)務(wù)需求的增長迅猛，可利用頻譜資源變得稀缺，但是已經(jīng)分配給現(xiàn)有很多無線系統(tǒng)的頻譜資源卻在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置。認(rèn)知無線電技術(shù)就是在這種矛盾背景下提出的強(qiáng)有力的技術(shù)支持，它針對頻譜資源不足，目的實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)管理以及提高頻譜利用率。作為無線通信的一種智能系統(tǒng)，認(rèn)知無線電先對周圍無線電環(huán)境感知，并對環(huán)境認(rèn)識、主動(dòng)學(xué)習(xí)后做出判斷，然后實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和傳輸參數(shù)，從而適應(yīng)外部無線環(huán)境的變化，達(dá)到高效的利用頻譜和最優(yōu)化傳輸?shù)哪康模哂袕V闊的應(yīng)用前景。

1　CR的概念體系

圖1　認(rèn)知無線電概念體系架構(gòu)

認(rèn)知無線電的核心技術(shù)之一是頻譜檢測技術(shù)，是其成立的前提和先決條件，對空閑頻譜資源的利用的基礎(chǔ)必須建立在環(huán)境感知和檢測的基礎(chǔ)上。CR的頻譜共享的主旨是CR用戶在不影響授權(quán)用戶的前提下與其在時(shí)間或空間上共享一段頻譜。高效成熟的頻譜共享機(jī)制能夠協(xié)調(diào)多個(gè)競爭實(shí)體的頻譜接入，以便有效控制對授權(quán)用戶的影響，進(jìn)而提高頻譜使用的效率。CR的頻譜管理技術(shù)包括頻譜分析和決策、頻譜移動(dòng)性管理以及頻譜定價(jià)機(jī)制等。認(rèn)知無線電的整個(gè)理論體系就是由以上幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)共同架構(gòu)起來的。

2　認(rèn)知無線電接入機(jī)制

認(rèn)知無線電的動(dòng)態(tài)接入問題涉及CR系統(tǒng)的各個(gè)層面，其前提是合理選擇頻譜以提高利用率，所以設(shè)計(jì)頻譜接入機(jī)制的本質(zhì)核心就是如何實(shí)現(xiàn)頻譜共享和如何進(jìn)行頻譜分配。

目前，無線電接入方案分有控制信道的分配和無控制信道的分配。只要頻譜池有空閑的子信道，授權(quán)用戶可以不中斷認(rèn)知用戶的通信方法，而選擇空閑信道的方法就是有控制分配；而授權(quán)用戶只要需要就占用原信道，并不考慮認(rèn)知用戶是否占用信道的方法就是無控制分配。不管用何種方式接入，最終就是要實(shí)現(xiàn)頻譜共享。而認(rèn)知無線電技術(shù)的研究也不會(huì)僅僅停留在解決授權(quán)用戶與幾個(gè)CR用戶之間的問題，其最終要面對解決的是復(fù)雜的CR網(wǎng)絡(luò)問題。總之，認(rèn)知無線電是一個(gè)無線通信的智能系統(tǒng)，目前主要研究其集中在物理層和媒體訪問控制(MAC)層，如圖2所示。

圖2　接入流程分析圖

2.1基于物理層的頻譜接入

物理層的接入有幾種情況：單對單(即單授權(quán)用戶對單CR用戶)的接入控制相對比較簡單，只要監(jiān)測到有可用頻譜資源，CR用戶即可決定是否接入；而單對多及多對多系統(tǒng)(面向網(wǎng)絡(luò))的接入控制就相對比較復(fù)雜，涉及到多用戶合作競爭，為避免多用戶的沖突問題，功率控制的研究尤為重要。

2.2基于MAC層的頻譜接入

CR的MAC層不但具備傳統(tǒng)的MAC層功能，如數(shù)據(jù)傳輸和媒體接入控制，而且還要具備以下幾個(gè)新功能：頻譜檢測的管理、實(shí)現(xiàn)與授權(quán)系統(tǒng)的共存、實(shí)現(xiàn)CR系統(tǒng)之間的共存。除此之外，CR網(wǎng)絡(luò)的MAC層還涵蓋了以下技術(shù)：動(dòng)態(tài)頻譜分配、防御MAC層攻擊的安全機(jī)制、跨層設(shè)計(jì)(網(wǎng)絡(luò)多層協(xié)議)等。其實(shí)在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，跨層部分的設(shè)計(jì)具有重要意義，因?yàn)?基于PHY,MAC和網(wǎng)絡(luò)算法的網(wǎng)絡(luò)多層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)能力決定了這個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)性能的好與壞。

2.2.1頻譜檢測管理

選取及優(yōu)化實(shí)現(xiàn)檢測策略和參數(shù)通過頻譜檢測管理環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。主要包括選取何種檢測模式、設(shè)置檢測周期和時(shí)長、選取檢測信道以及設(shè)置檢測靜默期等。而MAC層頻譜檢測管理才是執(zhí)行具體控制物理層頻譜檢測算法，如決定檢測哪些信道、何時(shí)檢測等。

2.2.2MAC層的接入控制

辨識CR用戶是否能被接入網(wǎng)絡(luò)及何種策略適合接入是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化頻譜分配的基礎(chǔ)要件，這是MAC層接入控制的主要功能。在授權(quán)用戶接入頻譜共享池前先要明確CR用戶的存在狀態(tài)，然后按照與授權(quán)用戶協(xié)調(diào)接入和透明接入兩種情況將CR用戶的接入。

CR用戶可以與授權(quán)用戶協(xié)調(diào)接入頻譜池的前提是授權(quán)用戶的能夠根據(jù)CR用戶調(diào)整其接入控制策略。在這種接入方式下，如果頻譜池中存在空閑信道，授權(quán)用戶就自動(dòng)選取頻譜池中的空閑信道接入。這樣，已接入的CR用戶就可以繼續(xù)使用該信道，其業(yè)務(wù)也就不會(huì)被授權(quán)用戶強(qiáng)行中斷。但這種方式要求授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)必須增加一些功能，如信道控制等，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)起來比較困難。

透明接入是指對授權(quán)用戶來說CR用戶是否占用頻譜是完全透明，即授權(quán)用戶接入頻譜時(shí)不考慮CR用戶的存在狀態(tài)。授權(quán)用戶不考慮CR用戶是否正在占用該頻譜，始終將其要接入的頻譜視為空閑頻譜，強(qiáng)制接入帶來的弊端是與授權(quán)用戶協(xié)調(diào)接入方式相比，透明接入方式CR用戶的強(qiáng)制中斷率(Pf)很高。

2.2.3MAC層的動(dòng)態(tài)頻譜分配

授權(quán)用戶使用頻譜的不穩(wěn)定性，CR用戶的可用頻譜位置和寬度隨時(shí)間變化，因此CR的頻譜資源優(yōu)化是有限資源再分配問題,目前通行做法是建立頻譜共享池(spectrum pooling)策略。該策略是將不同業(yè)務(wù)的可再分配頻譜合并成一個(gè)公共的頻譜資源池.又將整個(gè)頻譜池劃分為若干可用的新的子信道。頻譜的分配就成為受限信道的分配問題，以最大化信道利用率就可以同時(shí)兼顧干擾的最小化和接入的公平性。

3　舉例說明CR的組網(wǎng)接入機(jī)制

事實(shí)上CR系統(tǒng)是一種動(dòng)態(tài)的新型智能通信系統(tǒng)：單CR用戶的頻譜機(jī)會(huì)隨著授權(quán)用戶的頻譜使用情況及本身的移動(dòng)性而動(dòng)態(tài)變化；多用戶(包括多授權(quán)及多CR用戶)之間的相互影響很大，每個(gè)CR用戶的頻譜機(jī)會(huì)會(huì)隨著其他用戶的使用情況而動(dòng)態(tài)變化。因此，CR的組網(wǎng)接入技術(shù)也必須適應(yīng)其這種特點(diǎn)，要具有靈活性和動(dòng)態(tài)性。

3.1組網(wǎng)方案

組網(wǎng)方案主要有三種：其一為中心控制結(jié)構(gòu)，控制設(shè)計(jì)相對簡單，但受制于需要建立基站；其二為分布式控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)困難，且網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)不成熟；其三為網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu)，本地網(wǎng)采用Ad-hoc路由，各本地網(wǎng)之間通過AP進(jìn)行通信(結(jié)合了前兩種的優(yōu)點(diǎn))。

3.2WRAN（Wireless Regional Area Network）

在802.22草案中提供了兩種接入機(jī)制：競爭式接入機(jī)制和協(xié)調(diào)共享式接入機(jī)制。協(xié)調(diào)共享式接入機(jī)制在頻譜利用率方面高于競爭式接入機(jī)制，但競爭式接入機(jī)制在復(fù)雜度方面優(yōu)于協(xié)調(diào)共享式接入機(jī)制。當(dāng)多個(gè)基站的覆蓋范圍相互重疊時(shí)，存在著基站間接入競爭問題。由于拍賣理論在平衡資源需求和激勵(lì)資源共享方面的獨(dú)特優(yōu)勢，得到了很高的關(guān)注度，基于拍賣理論的動(dòng)態(tài)頻譜租借機(jī)制得到了深入的研究,這是一種很有效地競爭式接入機(jī)制。

目前，基于CR的WRAN還存在諸多問題，比如WRAN空中接口的靈活性和自適應(yīng)性的提高；相應(yīng)的物理層和MAC層接入控制機(jī)制制定和完善，從而允許基站以對授權(quán)用戶的頻譜感知來動(dòng)態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)的功率或頻率，以避免干擾；以及系統(tǒng)如何建立更好的基站之間協(xié)調(diào)機(jī)制達(dá)到避免和解決排列或重疊覆蓋，實(shí)現(xiàn)更好的共享頻譜等等。

3.3其它形式的應(yīng)用

認(rèn)知無線電技術(shù)也對有中心的網(wǎng)絡(luò)、分布式網(wǎng)絡(luò)、自組網(wǎng)(Ad Hoc)和Mesh結(jié)構(gòu)中都展示了其應(yīng)用潛力，起到了巨大的推動(dòng)作用。

4　結(jié)束語

通過以上的分析，更體現(xiàn)出了無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。隨著各種網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的層出不窮，實(shí)時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日臻成熟，多種形式的網(wǎng)絡(luò)共同搭建在認(rèn)知無線電頻率共享的平臺之上，為頻譜的接入技術(shù)提出了更高的要求：不僅需要考慮物理層和MAC層獨(dú)立的接入技術(shù)，而且要綜合考慮更高層次的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。只有在此方向基礎(chǔ)上不斷的研究和完善相應(yīng)的頻譜接入技術(shù)，才能適應(yīng)復(fù)雜多變的CR網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，滿足用戶的高品質(zhì)需求。

丁百卉（1975—），女，遼寧鞍山人，工學(xué)碩士，現(xiàn)供職于鞍山市無線電監(jiān)測計(jì)算站，主要研究方向：通訊工程。

作者簡介：