動態頻譜接入技術綜述

動態頻譜接入技術綜述

本文概述了動態頻譜接入技術的國內外研究現狀。根據研究目標的不同將研究方法歸納分類，并分析優缺點。為頻譜資源的合理分配、頻譜資源的高效利用和動態頻譜接入技術研究提供技術參考。

隨著無線通信技術的飛速發展，原本有限的無線頻譜資源被劃分給越來越多的用頻用戶，致使用戶可用的頻譜資源日漸緊張。頻譜緊缺的局面正是由傳統的頻譜分配方法所導致的，傳統的靜態頻譜分配模式將頻段固定分配給用頻用戶，只有被授予頻譜使用權的用戶才可以使用，頻譜利用率有待提高。動態頻譜接入技術通過靈活利用授權用戶空閑的頻譜空穴，使認知用戶伺機分配到所需的頻譜資源，使頻譜資源在時域和空域上得到充分利用，提高了頻譜利用率。

動態頻譜接入研究現狀

國外研究現狀

現有動態頻譜接入技術研究針對不同的研究目標，提出了不同的研究方法。本文將多種技術通過抗干擾、提高頻譜利用率、吞吐量最大化、公平性、延時性、能耗最小化、網絡連通性這七個方面進行歸類，分別介紹新技術的特點，并分析其優缺點。

1）抗干擾

抗干擾指在有干擾的電磁環境中保障通信質量，研究方法有：a）2003年FCC推薦了干擾溫度模型，該方法通過制定干擾溫度門限，達到復雜電磁環境抗干擾的目的；b）A. Hoang和Y. Liang利用干擾圖的方法來捕捉一對通信節點之間的是否存在干擾，當動態干擾圖上出現兩個節點相連式，可判定存在干擾情況；c）A. Hoang等利用信噪比的大小作為判斷依據，當信噪比值大于門限值時，則判定可以正常通信，該方法的缺點是當信噪比大于等于門限值與安全余量之和時才允許傳送信息。

2）提高頻譜利用率

提高頻譜利用率指將頻譜最大限度地分配給認知用戶，研究方法有：a）X. Li等定義頻譜效率為數據速率和信道帶寬的比值，通過最大化每個節點的發射功率以達到提高頻譜利用率的目的，該方法的缺點是會導致網絡中更多的干擾；b）S. Byun等提出盡可能公平分配空閑頻譜的方法，但公平的方式并不總是達到最大化頻譜利用率；c）L. Yu等提出最大化總的頻譜利用率并最大化瓶頸用戶的頻譜利用率的方法。

3）吞吐量最大化

吞吐量最大化指最大化網絡或者單個節點的吞吐量，研究方法有：a）X. Mao等采用節點為不合作方式的分布式頻譜分配算法，缺點是會導致在訪問信道出現爭用或者導致不公平；b）J. Wang等將所有節點總的吞吐量作為目標，并可采用分布式或者集中式頻譜分配算法以最大限度提高網絡性能，但缺點是會導致不公平，使得一些節點無法傳輸信息；c）T. Kim等針對OFDMA認知無線網絡，通過認知節點從主用戶網絡借上行鏈路子載波上數據傳輸的最大化以實現吞吐量最大化。

4）公平性

提高認知用戶之間的公平性，可以避免頻譜分配的不公平現象，研究方法有：a）S. Byun等利用集中式方法最大化每個認知用戶的最小平均吞吐量，但它沒考慮高需求量應用用戶的最低吞吐量的要求；b）Y. Ge等提出協同最大比例公平方法，將認知用戶根據的服務質量或不同吞吐量需求進行分組，解決最低吞吐量的問題。

5）延時性

延時的研究分為端到端延遲和切換延遲兩種，路由結合的頻譜分配中通常需要考慮端到端延遲，切換延遲時間是認知用戶從一個頻譜切換到另一個頻譜的時間，另外在切換過程中，認知網絡的發送或接收中斷，會導致在數據傳輸的額外延遲，其研究方法有：a）G. Cheng通過合理的給節點分配頻譜以使得路由內累積的延遲（節點延遲與路徑延遲之和）最低；b）W. Lee提出了一個頻譜決策框架，考慮了切換延遲因素，其目標是找到一個頻譜分配方法，將認知用戶的歸一化容量的總和最大化，缺點是它使用固定寬度的頻譜帶，與實際多數情況不相符；c）J. Wang提出了累積干擾和切換延遲最小化的度量，允許權衡不同的干擾和切換延遲之間的權重，在每一跳上分配信道和路徑，存在的問題是該方法只考慮了信道切換次數，而不是在該路徑上數據流的切換時延。

6）能耗最小化

最小化認知用戶能量消耗可以最大限度地提高總容量和最小化系統的總功耗，研究方法有：a）S. Gao等，提出了一個分布式頻譜選擇和功率分配算法，并提出了一種分布式能量有效性頻譜接入方案，目的是最小化在所有子載波上每個比特的能量消耗，因此目標就轉換為找到次用戶可選擇的最佳信道數，在保證其數據速率的要求時采用發送最小功率；b）L. Yu等提出了一種認知無線電Ad Hoc網絡能量有效性頻譜分配的方法，利用信道最小化發射功率的思想，將能量有效性問題轉化為一個功率控制和信道優化相聯合的問題；c）X. Li從能量有效性的角度研究了認知無線傳感器網絡中的信道分配問題，提出了一種預測剩余能量的系數的方法，但該算法并未考慮優于節點感知頻譜所消耗的能量。

7）網絡連通性

為了保證用戶服務質量（QoS），保持網絡連通性至關重要。影響網絡連通性的要素主要有通信鏈路使用頻率、發射功率、節點距離和認知用戶間干擾。針對網絡連通性的研究方法有：a）A. Abbagnale等針對認知無線電Ad Hoc網絡連通性的研究，提出節點的距離、發射功率和頻率選擇會對網絡連通性產生影響；2）Y. Li等利用圖形著色規則，提出認知用戶之間的干擾對CRAHNs連通性有很大影響；b）M. Ahmadi和J. Pan建立了一個網絡圖，以顯示網絡流量和認知用戶之間的連接，將信道分配給認知用戶，并最大限度地降低網絡內的干擾。

國內研究現狀

近年來國內也不斷深入在動態頻譜接入方面的研究，針對不同的動態頻譜接入研究目標，提出了不同的研究策略。

以減小認知用戶之間頻譜共享時的干擾為目的，賈蘊提出了認知無線電動態頻譜接入的競爭與干擾規避策略，減少認知用戶的信道切換次數，提高網絡的穩定性。以能耗最小化為目的，張旭等人提出了基于排隊論的集中式頻譜分配策略，以授權和認知用戶共存的復雜網絡環境為背景，基于排隊論模型，提出了一種效率高、能耗低的集中式頻譜分配方案。以實現對認知網絡的功率控制為目的，張龍等人提出基于微分博弈的分布式非合作功率控制算法，提出了一種認知網絡的分布式動態功率控制方案，控制平均功率門限，提高認知用戶通信質量。以提高認知用戶吞吐率為目的，彭曉東等人提出了一種魯棒機會頻譜接入策略，較好的利用優質信道機會，提高認知用戶的吞吐率。

總結

本文簡要介紹了國內外動態頻譜接入技術的研究情況，根據研究目標的不同將研究方法歸納分類，并分析了各種研究方法的優缺點?？梢钥闯?，動態頻譜接入技術可以采用接近實時的頻譜管理方式，靈活分配頻譜資源，以適應不斷改變的電磁頻譜環境。但是現有研究方法仍存在不同程度的局限性，因此進一步開展動態頻譜接入技術研究具有較強的現實意義和應用價值。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.009