认知无线电技术的国内外发展与研究现状

【实例简介】
关于认知无线电的文献，还是不错的
宁谣信 研究与开发 和阴影效应的影晌,从丽提高检测的概率,因此合户接收方附近的干扰温度;多用户网络中的频谱 作探测在理论上比发射机探测吏加准确,但是,在感知:多用户环境由多个C:R用户和授杈用户组成 资源受限的无线网络中,山于协作会产生大量额外使得频谱空洞检测和于扰估计更困难,因此应该研 的业务量,这将对网络产生负面的影响,而且合作究多用户环境下的频谱感知 探測不能解决由于不知道授杈用户接收机位置信 有效的频谱感知:考虑到频谱效率的感知方 息而造成的不确定性 法,传输分组的时候不能执行感知,CR用户感知的 3)基于十扰的探测。2003年底rC提岀∫一种时候将停止发送数据,这就减少了频谱的行效利用 新的量化和管理干扰源的模刑,即干扰温度模型.它率,因此频谱有效利用率和感知准确性之间的平衡 是指通过一个扰温度阈值限制接收方能够容忍的是一个非常重要的问题。此外,因为感知时间直接 干扰量,只要CR用户不超过这个限度,就可以使用影响传输性能,颊谱感知算法的最新研究主要集中 该频段。通过收集资料整理得出2种普遍的途径进在如何给定感知准确度情况卜使感知时间最小化 行干扰温度探测:一是采用多窗口方法估计干扰温度 由此可以看出,认知无线电网络的探测能力 的功率谱这种估计近似于最优化的方法,干扰温度探测准确度和探测所需时间等问题是目前最为迫 由内部噪声源和外部射频源的累计分布构成;是部切和棘手的门题 署大量的传感器来“探嗅(Snif)”无限射频环境但14频谱决策 是研究发现多窗口频谐作计的运算量相当大,尽管1.4.1技术分类 如此,实验证明它还是可以实现的 在这里,将频谱决策具体分为频谱分析和频谱 1.3.2研究现状分析 次策2部分 表3频谱感知分类表 1)频谱分析。在认知无线电网络中,可用频谱 射机深测 空洞在不同的时间段内只有不同的频谱特征。颗 年份四配滤液能量静念循环含作探的探测谱分析的目的就是归纳这些频段的频谱特性使认 器探测探测特征探 知无线电能够做出最符合用户要求的决策,在众多 000002 的频谱特性当中,信道睿量是最主要的一个特性。 2002 0 频谱分析主要研究2点,一是信道状态估计和预测 2003 0 模型,二是速率反馈 0 2)频谱决策。认知无线电网络根据应用所需 要的QS需求来决定在所有可用频段中哪一个是 最好的可用频段,因此频谱管理功能必须考虑Q 2007 52 要求。频谱决策跟信道的特征及第·用户工作模 2008 9 2 20 式有很大关系,并会受网络中其它CR用户活动的 从表3可以看岀、合作探测是各探測模式中研影响根据用户的要求可以决定传输速率、可接收 究得最早、最多的一种方法,并且岀现逐年递增的的误码率、最大延迟、传输模式和传输带宽。认知 趋势。这是由于合作探测在多径衰落和遮蔽影响用户对每一个频段进行特征刻画,然后为当前的传 的情况下,能更好地对授权用户进行探测,同时基输选择合适的运行频段。 于能量探测、给予干扰等探测方式的研究也在逐年1.4.2研究现状分析 增加。这说明了人们对探测方法研究具有多样性。 由表I和表4均可以看岀,近两年对频谱决策 .3.3频谱感知的难点 方面的研究有所增加,且存在不断上升趋势、频谱 频谱感知虽然研究比较多,但是仍然存在一些决策研究内容主要包括 挑战性的问题。比如测量授杈用户接收端的「扰 基丁公平性和通信成本的颗谱选择规则的制 温度:由于主网络和CR网络之间缺乏交互性,一股定和验证,基于SNR的信道跳跃协议用于如何选择 而言一个CR用户不能准确地对授权用户的接收方质量好的信道,在某一特定频段上的频谱切换的数 进行定位,这就需要釆用新技术测量和估计授权用量可否用来做频谱判决,采用纳什均衡技不和 53 O1994-2011ChinaAcademicjOUmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 研究与开发 片谁信 Beamforming技术等来提高系统服务质量。 策略决定的 表4频谱决策分类表 集中式和分布式各有不同的特性和应用场景, 但分布式与集中式解决方法相差不大,需要注意的 频谱分析 年份 道估计&预測模型速率反馈 频谱决策是分布式方法存在多节点的信息交互开销问题,相 1999 0 对来说利用率较低。 200 2)基频谱分配行为的共享技术。基于频谱 分配行为的共享技术可分为合作式频谱共享和非 2003 合作式频谱共享 2004 合作式频谱共享:合作式解决方案考志到节点 2015 203 的行为会影响到其他的节点9。也就是说,每个 节点的感知所得都公与其他节点分享,而且频谱分 41 配算法也会考虑这些信息。集屮式解决方案叮以 2008 4 看作是合作式的,同时也存在着分布式的合作方案 1.4.3频谱决策的挑战性 非合作式频普共享:非合作方案仅仅考蕊自己 综上所述,频谱管理领域存在着一些开放性的节点的行为,因而这种方案也被称作是“自私 研究课题。如完整的频谱分析模型设计:CR网络的”,非合作方案可能会异致频谱利用率的降低但 中使用SR(信噪比)进行的频谱容量估计在描述在实际应用屮它对其他节点的通信要求最低。 频带特征方面是不充分的,同时应用也需求不同的 协作式方法一般比非协作式方法要好,是一种 QAs保证,因此基于应用和频谱自适应的频谱决策今局性优化方法,此外协作技术提高了叶量的同 模型仍然是一个开放性的问题;在重新配置方面时,也比较公乎,另方面,非协作式方法由于缺乏 合作CR技术使得传输参数在一个特定的频段可信息的交换会使性能下降功耗较大 以被重新配置,即使SR变化了,位速率和比特淏 3)基于接入技术的频谱共享技术。基于接入 码率(BER)也可以通过自适应调节策略保持不变。技术的频谱共享技术分为 Overlay频谱共享和Un 因此在频谱决策中需要具有重配置功能的协作框 delay频谱共享。 架4;在不同种类的频带上的频谱判决:CR网络应 Overlay频谱共享:具体来讲就是一个认知节点 利用未被使用的一段频谱接入网络,这种情况下 该攴持运行在授权频段和非授权颎段的频诎 对授权用户造成的干扰最小 决策“。 Underlay频谱共享:采用扩频技术,使得CR节 另外,关于如何决定频带的数量、如何选定最点传输的信号对授权用户来说就好比是噪声信 优的频带等问题同样需要更进一步的研究。 号4。与0 relay频谱共享方案比,这种方案可以 1.5频谱共享 利用更宽的带宽。 5.1技术分类 5.2研究现状分析 日前频谱共享技术解决方案主要从以下儿个 表5频谱共享分类表 篇 方面进行分类:结构、频谱分配行为、频谱接入技术3年份编构 频谱分配行为 频谱接人技术 ])基于结构的频谱共亨技术。基于结构的频谱共 享技术可分为集屮式频谱共享和分布式频谱共亨。 200I 集中式频谱共亨:集中单元控制频谱分配利接 2003 入过程。网络中的每个分布式节点都把自己探2040 测感知的频谱信息汇聚到集屮控制单元,由控制单2005 元绘制出频谱分配映射图。 06 分布式频谱共享:主要用于在不能构建集中式2001 结构的场合,在这种情况下,每个分布式节点都 2008 参与频谱分配,同时频谱接入是由节点的本地频谱 DIGITAL COMMUNICATION/2009. 4 O1994-2011ChinaAcademicjOUmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 到芹狺 研究与开发 从表5可以看出,基于结构的频谱共享和基于前信道的性能下降或者授权用户出现的时候,频谱 接人技术的频谱共享的研究进行得很早,并且一直移动产生∫一种新的切换问题,即频谱切换。网络 被人们关注,基于频谱分配行为的共享技术是研究协议栈中不同层次的协议都必须适应工作频段所 得最多的:从数据可以看出,基于结构的频谱共享在信道参数变化的情况。这里将讨论时间和空 技术在2008年的研究总数比2007年多了近一番,问的频谱切换。 而后2项的研究有所减少,但是频谱共享技术总的 表6频谱切换分类表 研究一直是最多的。日前最要结合这3类技术的频 年份 时间切换 空间切换 谱共享技术主要有:集中式和分布式的网间频谱共 亨、合作式与非合作式网内频谱共享:斫究内容包 括:共同频谱合作信道办议研究、无限因特网服务 0000 00D 接入点间共享同一段频谱的方案、构建本地组共享 频谱的方案、随机接人技术等 1.5.3频谱共亨的挑战性题 从表5中可以看出,频谱共享方面的研究已经 2007 很多了,但是距离实现高效、无缝的开放频谱运行 008 日标还相差得很远,还存在着许多研究难题亟待解 决,比如共同控制信道的分配问题、动态无线电射从表6可以看出时城的切换研究相对于要少很 程以及频谱单元等问题,这些都是日前尚未得到充多,空间的切换研究要多一些。但是,频谱移动性 分开放的领域。 方面研究的挑战远不止这些,比如多样性环境的频 共同控制信道:共同控制信道使得频谱共亨的谱切换问题、最合适频带的选择问题、以及连接和 许多功能较为谷易实现,但是当主用户要用信道的移动管理协议的实现问题等,这些都是究的难点 时候,正在占用的次用户必须改换信道,因此一个 前面说到CR网络固有的特征产生了2个新的 固定的其同控制信道不易实现,而在CR网络中,概念,即:频谱迁移和频谱切换但是迄今为止,尚 所有CR用户共享一个共同控制信道对拓扑及时问未有研究解决频谱切换方面的问题。基于迁移所 具有非常大的依赖性所以挑战主要来于如何设计引起的切换机制已经在蜂窝网络中进行了研究,这 较好的共同控制信道技术,或者为簇节点设汁本地给CR网络中的研究奠定了基础但是仍然有许多 共同控制信道4 开放性的问题需要研究,如时域的频谱移动性和空 动念无线电射程:由于无线范围及工作频段之间的频谱移动性。 间的相依赖性,当工作顿段改变的时候节点邻居2各地区研究概况统计 也改变了,迄今为止还没有致力于这方面的矸究工 作。将来的发展研究方向应该集中在有频段意识2.1世界各国研究概况 的频谱共享技术 表7全球认知无线电研究情况统计表 频谱单元:几乎所有的频谱决策和共享技术都 年份 别 把一个信道作为共本的频谱单位,因此在研究算法 总计 99920200220032004200520020072008 的时候,作为频谱单位的信道定义是一个十分关键美可10159285719710458 的研究课题4。 中国00000017 吳国0 000 65 主用户位置信息:在现在工作中一个重要的假韩0 0003273060 设是次用户知道主用户的位置利传输的功率,因此新加坡00000 干扰的计算比较容易,但这种假设在CR网络中并本000002231655 不总是有效的。 加拿大0000 61619 德000 0441910 1,6频谱切换 法玉00000241018 在认知无线电网络中,频谱移动行为发生在当 台湾0002003101227 O1994-2011ChinaAcademicjOUmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 研究与开发 表8美国大学和研究机构对认知无线电技术研究情况统计表 篇 美匡大学和研究结构 年份 199920020022003200420050062007208总计 of califomia at berkel Georgi lnst, of Tech rginia Polytech Inst.& State liniv 000D 0 Luis. uf South Florida Uniy, of calfornia dayis u00 001 Michigan technol. Univ 5 13 Motorola lab: Lnju. of Texas al Austin Tech. Blacksburg 5 12 Texas A&M Univ. college station 0 0 0 0 0 0 0 3 从表7可以看出,全球一共有32个国家对认知在对认知技术发展过程中做出了相当大的贞献;另 技术进行了饼究。瑞十、英国、美国等都是认知无外 Georgia Inst. of tech.以及 Virginia Polytech Inst 线电技术研究的发起者,而美国一直是认知技术研& State uniy.等也在认知技术研究方面取得了非常 究大国。从 Joseph MitolaⅢ博士创造了¨认知无线好的成绩;其余的研究所或商业领域对认知无线电 电”这个词以来,美国的 Mitre Corp. Mclean就接着技术的进步起着举足轻重的作用,包括知名的Mo 在EEE上发表了一篇名为《 Cognitive radio for flexi- torola labs, Philips Res, Air Force res,Iabs等,其中 ble mobile multimedia communications》的文章,随后 Defense adv. Projects Agency也是美国较早研究认 美国一直处丁研究的前列,其数量一直是其他家知技术的机构,其资助的XG项目的体系协议已经 的总和还要多,这也说明美国政府对新技术的重得到广泛的认可。 视;欧洲国家如德国法国荷兰等也是投入了大量23中国研究情况统计 时问和金钱对认知技术进行研究;中国对认知无线 据统计IEEE发表文章结果显示,中国一共有 电技术的研究开始也比较早,特别是经过2006 26个大学和研究机构对认知无线电技术研究走在 2008年这3年时间,中国的文章数量已经超过英 了前列,当然,实际上并不是只有这些机构。下面 国,跃居第2了,这一点充分说明了近3年来中国政就前10位的列出来,以供大家参考 府对新兴技术的支持;另外韩国、新加坡、日本等亚 洲国家在这方面也有不错的成绩 表9中国大学和研究机构认知无线电技术研究统计衰篇 2.2美国研究情况统计 中国大学和 研究结构19902001200200320042005200620072008 据统计结果显示,美国-共有11不同的大北京邶0000005 大学 945 学和饼究机构对认知无线电技术进行了不同程度 的研究,这里由于篇幅限制,只列出研究较多的前种技大学0000005465 中国电子 10位 浙江大学0 000 清华太学 0000003811 表7和表8充分显示了美国对认知无线电技术 南京邮电 研究的力度很大并且成果很显箬,各个大学和研究 0000000 机构均有对新技术研究的能力和成果。表7显示 中料技0000002 大学 最多的属于Lnv. of California at Berkeley,它是美国南大学0000001 对认知无线电技术研究进行得比较早的个机构, 酉安电 斗技大学 2004年由 Brodersen教授领导的研究组提出的基于 中国科技 技术大学00000003 认知无线电方式使用虚拟非授权频谱的CORⅤ哈尔滨 业大 00000 0 0 体系结构已经得到了行内人土的公认,其研究小组 56 -DIGITAL COMMUNICATION/2009. 4 O1994-2011ChinaAcademicjOUmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 研究与开发 中国对认知技术的研究在H上上显示的是2] FEDERAL COMMUNICATION COMMISSION. Facilita- 2006年,当然实际研究会更早此。从表9可以看 ting Opportunities for Flexible, Efficient, and Reliable 出,北京邮电大学是中国认知尢线电技术研究得最 Spectrum lse employing Cognitive Radio ' Terhnclogieg 多和最早的机构,另外电子科大、浙江大学、清华大 J. NPRM& Order, FT Docket, 2003(03): 108-32 3. ZHENG H, CAO L. Device-centrie spectrum managemet 学等也对认知无线电技术有深人的研究,除此之外 EB/OL].(20807-24)[2008-11-23].htp:/eds 还有很多学校也在对认知无线电技术进行研究。 yen. edu. tw/etdservice/vitw_ metadata? e tdun 中国近年来对认知无线电技术的研究力度明显 LO0099290720082209300 start =61 end =80 from 加大.208年5月26日至30日在北京邮电大学举 CAtE cHteid= dole 行了中欧认知无线电系统工作会议,这标志着中国在4」 AKYILDIZ IE, WON-YEOL LEE, VURAN M C,tlA 认知无线电技术方面的成果得到了大家的公认 urvey on spectrum management in cognitive radio net- 3结论 works[ J. Communications Magazine, 2008(04): 40-48 [5 CHAKRAVARTHY V, NUNEZ A S, STEPHENS JP,et 认知无线电网络就是当频谱资源出现空洞而 aL. TDCS, OFDM, and MC-CDMA: a brief tutorial [J] 其他频谱有需求时候,将这段频谱操控起来使用的 IEEE Communications Magazine, 2005, 43(9): 11-16 个过程,这吋需要进行前面讨论过的频谱检测 [6 URKOWTTZ II. Energy deteetion of unknown determinis 频谱分析,资源眢理与控制,和频谱重配置等:北 tic signals [J]. Proceedings of the IEEE, 1967, 55(4) 523-53l 京邮电大学对此做了一些计算,结论是动态频谱的 [7 SANKARANARAYANAN S, PAPADIMITRATOS P,MI 使用率比传统固定频谱提高39%,另外还可以解决 SHRE. 4, el al. A bandwidth sharing app 些异构网络孤岛的问题,但是这些成果还没有达 license spec trun utilization[J. In Proc. IEEE DYS- 到我们期望的效果。目前研究现状也存留在理论 PAN,2005:179288. 上硏究的居多。关于通信实践的研究不是很多,这[8] ZHAO J, HENG H, YANG G H. Distributed coordina 样就还有很多问题亟待解决。比如如何加入信道 tion in dynamic spectrum alloc ation networks []]. In 在空间上怎么分级,在时间上怎么分级,这些准则 Prot. IEEE DYSPAN. 2005. 259-268 设计都是最基本也是最重要的一个方面,我们也需9] BRIK V, ROZNER E, BANARJEE S,eta,DSAP:a 要讨论现有的蜂窝构架是否能支撑认知无线电网 protocol for c oordinated speeTrum access [J]. In Pruc TEEE DYSPAN. 2005.611614 络,如何考虑其中的小区构架等问题。认知无线电 技术还有待于进一步的深入研究 作者简介 参考文献 曹华孝(1985-),女,重庆市人,硕士研究生,主要研究 方向为无线资源管理, E-mail: caohuaxiao@sina,um;鮮永菊 1] STAPLE G, WERBACH K. The end of spectrum scarcity(1973-),女,四川南部人,剐教授,在读博士,主要研究方 [J]. IEEE Spectrum,2004,41(3):48-52 向为计算机网络技术和宽带无线网络接入技术 O1994-2011ChinaAcademicjOUmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 【实例截图】
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