認知無線電資源分配技術綜述

王燦 李偉

摘 要：有限的頻譜資源與人們日益增長的無線頻譜需求之間的矛盾日漸突出和加劇，如何高效地提高頻譜利用率成為了無線通信領域的重點研究方向。為有效提高頻譜利用率，認知無線電技術應運而生。認知無線電資源分配是認知無線電的關鍵技術之一，高效的資源分配方法能夠有效利用頻譜資源，緩解頻譜資源的匱乏，提高通信系統的效用，對優化認知無線電系統的性能起到關鍵的作用。文章基于認知無線電資源分配領域的專利文獻，對認知無線電資源分配領域進行了專利技術分析，對認知無線電資源分配技術分支、全球申請量、國內主要申請人、國外主要申請人進行重點分析。

關鍵詞：認知無線電；資源分配；頻譜；功率

中圖分類號：N18 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0011-03

Abstract： The contradiction between the limited spectrum resources and the increasing demand of wireless spectrum is becoming more and more serious. How to improve the spectrum efficiency has become the key research direction in the field of wireless communication. In order to effectively improve the spectrum efficiency， cognitive radio technology emerged as the times require. Cognitive radio resource allocation is one of the key technologies of cognitive radio. Efficient resource allocation method can effectively utilize spectrum resources， alleviate the scarcity of spectrum resources， and improve the effectiveness of communication system， playing a key role in optimizing the performance of cognitive radio system. Based on the patent literature in the field of cognitive radio resource allocation， this paper analyzes the patent technology in the field of cognitive radio resource allocation. The technical branch of cognitive radio resource allocation， the number of applications in the world， the main applicants in China and the major applicants abroad are analyzed.

Keywords： cognitive radio； resource allocation； spectrum； power

引言

近幾年，隨著不斷出現的無線通信設備和無線通信應用，無線用戶對頻譜無線接入的渴求日益加劇。迫于人們對于無線資源的強烈渴求，且由于絕大多數適合通信的頻段已經通過靜態分配方式被分配殆盡，想要通過尋找新的頻譜資源來滿足用戶需求因而成為一項極其艱巨的任務。傳統的無線頻譜資源分配采用靜態分配的方式對頻譜資源進行分配，也就是由頻譜分配機構將特定頻段長期地分配給特定的授權用戶使用。通過調查研究發現，有些被授權的頻段在大多數的時間段都未被占用，而其他有需求的用戶因未授權而無法使用該頻段，因此靜態分配這種不靈活的頻譜分配方式造成了頻譜資源利用率低下。1999 年，Mitola首次提出了認知無線電（Cognitive Radio，CR）的概念[1]。認知無線電是一種智能的無線通信技術，通過頻譜感知技術，在已被授權的頻譜資源未被使用或只存在少量通信活動情況下，具備認知功能的設備可以在此時接入頻譜空洞或者與授權用戶共同使用頻譜，緩解了頻譜資源匱乏和不斷增長的無線接入需求之間的矛盾。授權用戶即主用戶（Primary User，PU），其具有優先接入授權頻譜的權利，頻譜空洞是指在特定的時間、地理位置，已被分配給主用戶且沒有被授權用戶使用的頻段，認知用戶可以伺機地接入頻譜空洞。頻譜資源分配作為認知無線電關鍵技術之一，合理高效的分配方法能夠有效地提高頻譜資源利用率，優化認知無線電系統性能[2-6]。

1 國內外認知無線電資源分配技術的專利現狀分析

通過對國內外涉及認知無線電資源分配技術的專利文獻搜集、標引以及梳理，將涉及認知無線電資源分配技術的專利文獻作為樣本進行分析，本文基于認知無線電資源分配的專利申請，將其作為分析對象，對認知無線電資源分配技術分支、全球申請量、國內主要申請人、國外主要申請人進行重點分析。

1.1 認知無線電資源分配技術分支

如表1所示，資源分配的技術分支按照頻譜分配原則進行劃分，其主要包括基于效用最大化原則，基于優先級分配原則，基于資源可用性原則，基于干擾避免原則，基于公平性則，基于代價最小化原則，基于差異性分配原則以及其他分配原則。

圖1為各個分支在認知無線電資源分配技術專利申請中的占比圖，其中基于效用最大化原則和基于資源可用性原則的資源分配技術占據份額較重，分是28%和26%，其次是基于差異性分配原則、基于干擾避免分配原則以及其他分配原則。資源分配目的是盡可能的優化資源配置提高系統性能，以優化效用為分配目標是絕大多數資源分配的根本目的，因此基于最大化效用分配原則是資源分配領域研究的重點。基于資源可用性分配原則是技術發展之初重點關注的方向，只有將授權用戶未使用的或者可以與授權用戶共享的并且滿足認知用戶業務需求的頻譜資源分配給認知用戶才能進行數據傳輸，保證認知系統的可靠性。

1.2 全球申請量分析

圖2顯示出了從06年起認知無線電資源分配技術領域國內申請人、國外申請人以及全球范圍內在認知無線電資源分配領域的申請趨勢。在中文數據庫CNABS以及DWPI數據庫中經檢索和人工篩選，最終獲得認知無線電資源分配領域公開的全球專利申請共538件。從圖2可以看出從2006年開始全球申請量呈逐年上升趨勢，表明了認知無線電資源分配技術的快速發展，至2011年達到頂點，之后逐漸趨于平穩；在發展之初，國內和國外申請量都是呈逐年上升趨勢，且國外申請量明顯高于國內申請量，與國外相比，我國認知無線電方面的研究起步比較晚，資源分配領域的專利申請在早期少于國外申請，但對認知無線電技術的高度重視，使得資源分配領域的申請量快速增長，表明了該技術在國內的蓬勃發展；國外申請在08年之后平穩發展，而國內申請仍呈上升趨勢并在2011年達到頂點，這也是該技術在國內發展成熟的標志，在2011年以后國內申請量呈平穩趨勢。由于專利申請一般是在申請日之后18個月公開，因此2015年和2016年的申請未被完全統計。

1.3 國外/國內主要申請人

圖3顯示了國外主要申請人概況，從圖中可以看出，排名前10位申請主要由大型通信企業、高校和研究所組成，其中三星排名第一，其在認知無線電資源分配領域的申請量達20余件。如摩托羅拉、LG、諾基亞，等全球知名通信企業也在前10位之中。

圖4顯示了國內主要申請人概況，從圖中可以看出，前10位申請人由高校、國內大型通信企業和研究所組成，其中主要是國內各知名高校，表明了高校是前沿技術研究的搖籃。中興和華為兩大通信巨頭也在主要申請人之列，其申請量分別位18和15件。

2 結束語

本文對認知無線電資源分配專利技術進行分析和整理，對認知無線電資源分配領域專利技術分支、專利申請全球申請量、國內主要申請人、國外主要申請人進行重點分析。國外申請主要集中在大型企業且數量和質量都較為均衡；而國內申請大多集中在高校，高校的申請大多注重理論研究，實際應用較少，國內企業的申請中也集中在中興和華為國內兩大通信企業。目前大多認知無線電資源分配技術體現的分配原則較為單一不夠全面，綜合多個分配原則制定更加全面合理的資源分配策略同時提高認知無線電系統性能是資源分配技術的趨勢和重點。

參考文獻：

[1]郭彩麗.認知無線電網絡技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]徐友云.認知無線電網絡資源分配博弈模型與性能分析[M].北京：電子工業出版社，2013.

[3]張潔.認知無線電中資源分配算法研究[D].北京郵電大學，2012.

[4]王亮亮.基于博弈論的MIMO認知無線電資源分配[D].吉林大學，2012.

[5]裴婧.基于OFDM的認知無線電頻譜資源分配算法研究[D].重慶大學，2014.

[6]梁輝.基于OFDM的多準則下認知無線電資源分配問題的研究[D].吉林大學，2011.