認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜管理研究

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜管理研究

0動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，有限的光譜資源和增加的需求之間的矛盾日益突出。目前傳統(tǒng)的頻譜分配制度為靜態(tài)頻譜分配,無線頻譜資源被劃分為授權(quán)頻段(LFB)與非授權(quán)頻段(UFB)2類。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的研究表明,授權(quán)頻段的平均利用率范圍在15%~85%。而非授權(quán)頻段只占頻譜資源很少一部分,并且競爭激烈,用戶很多,業(yè)務(wù)量擁擠。傳統(tǒng)靜態(tài)的頻譜分配方式使得沒有得到授權(quán)的用戶不能利用授權(quán)頻段,資源浪費(fèi)嚴(yán)重。這種靜態(tài)的頻譜管理方式,大大限制了頻譜的使用效率,使得無線資源本身的匱乏以及對它使用不合理的問題越來越突出。認(rèn)知無線電(CR,CognitiveRadio)是一種能夠?qū)λ幍碾姶怒h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,尋找到空閑頻譜,并根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)的智能無線電。它以某種“伺機(jī)方式”接入已授權(quán)的頻譜,通過動(dòng)態(tài)頻譜共享(DSS,DynamicSpectrumSharing)來提高無線頻譜的利用效率,而不影響擁有授權(quán)頻段授權(quán)用戶(PrimaryUser)的工作。CR技術(shù)為頻譜管理提供了一條嶄新的思路,突破傳統(tǒng)頻譜授權(quán)指配的方式。具有CR功能的網(wǎng)絡(luò)單元,不需要頻譜管理部門預(yù)先分配頻譜,它通過各單元的頻譜感知,在復(fù)雜時(shí)變的電磁環(huán)境中尋找適宜的頻譜,并通過認(rèn)知推理,學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則,動(dòng)態(tài)共享頻譜,建立通信。既有效避免干擾的發(fā)生,又提高了頻譜利用率,達(dá)到頻譜管理的智能化與自適應(yīng)性。1基于頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策的用戶體驗(yàn)?zāi)芰φJ(rèn)知無線電的概念最初是由JosephMitola博士在1999年發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文中首先提出的。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FederalCommunicationsCommittee,FCC)對它的定義是一種能夠根據(jù)與它的操作環(huán)境進(jìn)行交互而改變傳輸參數(shù)的無線電。認(rèn)知無線電的兩個(gè)顯著特點(diǎn):認(rèn)知能力和重配置能力。一個(gè)完整的認(rèn)知循環(huán)包含頻譜感知、頻譜分析與頻譜決策3方面內(nèi)容,如圖1所示。頻譜感知是CR進(jìn)行頻譜管理的前提,通過頻譜感知CR發(fā)現(xiàn)時(shí)域、頻域與空域的頻譜空穴信息,并且感知授權(quán)用戶的再次出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)主動(dòng)規(guī)避。頻譜分析的目的是為了進(jìn)一步描述頻譜空穴的主要特征,為信道估計(jì)提供依據(jù),以獲得滿足用戶需求的頻帶。頻譜分析的主要參數(shù)有干擾、路徑損耗、無線鏈路誤碼率、鏈路層延時(shí)和信道占用時(shí)間等。信道估計(jì)是對信道的質(zhì)量予以評估,以方便選擇質(zhì)量好的信道提高通信的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。頻譜決策在頻譜感知與頻譜分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)用戶的質(zhì)量需求和決策準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)化,選取用戶的工作參數(shù)及通信標(biāo)準(zhǔn),以確定最佳的信號傳輸方式(包括:信息傳輸速率、調(diào)制解調(diào)方式及協(xié)議等)和最佳發(fā)射功率水平與發(fā)射時(shí)間。重配置能力是指在傳輸過程中不改變?nèi)魏斡布M件的情況下調(diào)整操作參數(shù)的能力?？芍嘏渲玫膮?shù)主要有工作頻譜、調(diào)制方法、發(fā)射功率及通信技術(shù)等等。通過重配置能力實(shí)現(xiàn)了頻譜利用的靈活性。2基于頻譜管理的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前,頻譜管理基本上是一個(gè)自下而上逐級申請,然后再自上而下逐級分配的過程。頻譜管理首先由底層的用頻單位提出申請和需求,再由頻譜管理機(jī)構(gòu)為特定環(huán)境下的用戶簽發(fā)頻譜使用許可證。以此保障頻譜管控的權(quán)威性、科學(xué)性和可行性,從整體上預(yù)防和減少相互間的干擾。總的來說,目前頻譜管理模式概括起來主要有以下2種:(1)靜態(tài)集中式頻譜管理模式在這種模式下,頻譜管理是一種集中式、非實(shí)時(shí)、靜態(tài)的管理模式。具有頻譜分配權(quán)的頻譜管理機(jī)構(gòu)為每一有用頻需求的用戶指定一些頻譜資源,并規(guī)定使用的時(shí)間與場合。這種頻譜管理模式降低了頻譜資源使用的靈活性和有效性,并且需要較長時(shí)間的準(zhǔn)備工作,但是這對于保護(hù)特殊部門的頻譜使用權(quán)(例如:公共安全、科研以及政府部門等)是必要的。(2)有限的自適應(yīng)管理模式這種模式是在預(yù)先分配的頻率集自適應(yīng)地選取通信質(zhì)量好的頻率。并且目前通信網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力非常有限,僅限于單網(wǎng)級的頻率功率自適應(yīng)。其中頻率自適應(yīng)主要有2種形式:一種是采用空閑信道搜索,由通信雙方根據(jù)在指配的頻率集上探測的結(jié)果進(jìn)行交互,選取通信質(zhì)量好的頻率建立通信;另一種是自適應(yīng)跳頻,按照預(yù)先設(shè)定的順序在指定的有限頻點(diǎn)上進(jìn)行跳變,并且對自動(dòng)探測到的干擾頻點(diǎn)進(jìn)行替換。這2種自適應(yīng)方式在一定程度上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,比普通的跳頻通信抗干擾能力強(qiáng),在理論上即使只剩下一個(gè)可用頻點(diǎn),通信雙方仍可在該頻點(diǎn)上正常通信。在單網(wǎng)通信時(shí),這2種頻率自適應(yīng)方式基本上能夠滿足抗干擾通信的需求,但在網(wǎng)系應(yīng)用條件下,需要多網(wǎng)系間協(xié)同頻譜資源的使用,進(jìn)行信息和資源共享,是這2種方式無法滿足的。3cr網(wǎng)絡(luò)電磁強(qiáng)度管理3.1基于頻譜感知技術(shù)的頻譜管理CR網(wǎng)絡(luò)是由CR用戶組成的網(wǎng)絡(luò),區(qū)別于傳統(tǒng)的授權(quán)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的靜態(tài)頻率分配方式不適用具有CR功能的網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)橛捎陔姶怒h(huán)境不斷變化,CR節(jié)點(diǎn)檢測到的空閑頻譜也不斷在變化;另外由于形勢、任務(wù)的變化,用戶的需求也在變化,對空閑頻譜的使用需求也就不相同。而且要實(shí)現(xiàn)完全自適應(yīng)動(dòng)態(tài)頻譜分配還要打破傳統(tǒng)政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的束縛?；贑R技術(shù)的動(dòng)態(tài)頻譜管理SimonHaykin在文獻(xiàn)中給出其定義:頻譜管理也叫頻譜分配,在發(fā)射端實(shí)現(xiàn),實(shí)時(shí)探測當(dāng)前工作區(qū)域內(nèi)的無線環(huán)境,根據(jù)探測的結(jié)果,對頻譜資源進(jìn)行分析和評價(jià),確定時(shí)間和空間上可用頻譜資源,并根據(jù)一定的規(guī)則對頻譜資源進(jìn)行共享和分配。(1)每一個(gè)CR用戶通過頻譜感知技術(shù)對所處的電磁環(huán)境進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍的頻譜檢測,以此發(fā)現(xiàn)時(shí)域、頻域以及空域上的空閑頻譜。(2)通過頻譜分析和信道容量預(yù)測對空閑頻譜的主要特征參數(shù)進(jìn)行分析,以獲得滿足使用需求的頻譜,并在一定的范圍內(nèi)共享頻譜信息。(3)在所有空閑頻譜被檢測和分析完成之后,再結(jié)合用戶的服務(wù)質(zhì)量需求情況,進(jìn)行頻譜決策。為當(dāng)前用戶選擇適合的頻譜,并確定信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率、信號調(diào)制方式、可接受的誤碼率、傳輸模式、傳輸延遲限度以及傳輸帶寬等技術(shù)指標(biāo)。接著依據(jù)一定的頻譜分配策略(例如:吞吐量、公平性、通信費(fèi)用等方面),給一定范圍內(nèi)的CR用戶分配適合的頻譜。(4)在用戶的發(fā)射端進(jìn)行發(fā)射功率控制,并建立通信。當(dāng)授權(quán)用戶再次出現(xiàn)或正在使用的空閑頻譜受到干擾不再滿足使用需求時(shí),迅速進(jìn)行頻譜切換,保障通信的順暢進(jìn)行。3.2cr網(wǎng)絡(luò)的譜理論和傳統(tǒng)的譜理論系統(tǒng)3.2.1頻譜監(jiān)測信息傳統(tǒng)的電磁頻譜管理網(wǎng)系一般包含頻譜監(jiān)測網(wǎng)、頻譜探測網(wǎng)、用頻裝備檢測系統(tǒng)、頻譜管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和電磁頻譜管理指揮控制系統(tǒng)幾個(gè)部分。頻譜監(jiān)測網(wǎng)是軍事電磁頻譜管理網(wǎng)系的支撐網(wǎng)絡(luò)。主要完成對無線環(huán)境中電磁信號頻譜特征參數(shù)(包括信號頻率、頻率誤差、發(fā)射帶寬、場強(qiáng)、調(diào)制度等參數(shù))的測量、分析,并對非法電臺和干擾源進(jìn)行測向定位。頻譜監(jiān)測為頻率指配、頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整和制定無線電管制方案提供依據(jù)。準(zhǔn)確、詳實(shí)、及時(shí)的頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)是科學(xué)頻譜管理的依據(jù)。電磁頻譜監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息通過綜合信息網(wǎng)傳輸?shù)诫姶蓬l譜管理指揮控制系統(tǒng),供頻譜管理機(jī)構(gòu)分析與決策使用。用頻裝備是頻譜管理控制的對象,頻譜管理網(wǎng)是頻管方案的制定者,而用頻裝備網(wǎng)絡(luò)是頻管方案的執(zhí)行網(wǎng)絡(luò),兩者相互分離。因而頻譜監(jiān)測信息并不能完全準(zhǔn)確地反映出用頻裝備所處的電磁環(huán)境情況;而且監(jiān)測信息先要經(jīng)過處理,再由頻譜管理網(wǎng)提供頻譜管理方案送到用頻裝備網(wǎng)執(zhí)行,有一定的傳輸時(shí)延,實(shí)時(shí)性不強(qiáng),所以所做的頻率調(diào)整并不是最優(yōu)的。3.2.2基于cr技術(shù)的頻譜管理模式在電子裝備中的應(yīng)用對用頻電子裝備進(jìn)行技術(shù)改造,使之集成CR功能,通過一定的組網(wǎng)方式,構(gòu)成CR網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過CR的頻譜感知技術(shù)監(jiān)測本地電磁環(huán)境的變化,完成本地電磁環(huán)境感知,在本地網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)共享頻譜感知信息,作為頻譜管理的依據(jù);并且能夠通過CR干擾估測技術(shù)估計(jì)CR用戶與授權(quán)用戶之間的干擾,通過用戶間的相互協(xié)商來避免它們之間干擾的發(fā)生;且根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行頻譜管理,并通過學(xué)習(xí)與推理選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行機(jī)制,實(shí)現(xiàn)頻譜管理的自適應(yīng)性和智能化。各個(gè)具有CR功能的用頻裝備不再只是頻譜分配、控制的對象,而且成為頻譜監(jiān)測網(wǎng)、頻譜管理網(wǎng)的一部分,是完成電磁環(huán)境監(jiān)測、頻譜管理的最主要裝備。用頻裝備網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了頻譜監(jiān)測網(wǎng)和頻譜管理網(wǎng)的功能,完成實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測、動(dòng)態(tài)頻譜管理和頻譜使用的多重任務(wù)?；贑R技術(shù)的頻譜管理模式與傳統(tǒng)頻譜管理模式相比具有以下幾種優(yōu)點(diǎn):(1)改變傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)系中頻譜管理網(wǎng)與用頻裝備網(wǎng)分離的現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)頻譜管理網(wǎng)、頻譜監(jiān)測網(wǎng)與用頻裝備網(wǎng)三網(wǎng)合一,頻譜分配能夠適應(yīng)任務(wù)與環(huán)境的變化。由于CR具有頻譜感知功能,能夠通過CR裝備組成的認(rèn)知頻譜管理網(wǎng)完成對本地電磁環(huán)境的監(jiān)測與分析,代替?zhèn)鹘y(tǒng)頻譜監(jiān)測網(wǎng)。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的頻譜感知數(shù)據(jù)完全反映出用頻裝備所處的電磁環(huán)境情況,是傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。因而頻譜管理能夠適應(yīng)環(huán)境的快速變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,最大限度地發(fā)揮用頻電子裝備的效能,電磁頻譜不再是制約電子裝備性能發(fā)揮的因素。(2)實(shí)現(xiàn)頻譜管理方式的大變革。由傳統(tǒng)的集中式靜態(tài)或有限自適應(yīng)頻譜管理方式轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)、自適應(yīng)的頻譜管理方式。頻譜管理不再是一項(xiàng)繁瑣的系統(tǒng)工程,很少需要人的參與,實(shí)現(xiàn)完全的機(jī)器分配,自動(dòng)化程度高。(3)頻譜分配的可靠性、適應(yīng)性大幅增強(qiáng)。傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜管理方式指配的頻率不容隨意更改,遇到突發(fā)事件難以處置,適應(yīng)性差、抗干擾能力差。應(yīng)用了CR技術(shù)的頻譜管理網(wǎng),用頻裝備單元通過干擾估計(jì)、功率控制等方式預(yù)防干擾的發(fā)生,并在受到干擾時(shí)能夠通過頻譜移動(dòng)性管理迅速切換頻率,保障通信的順暢進(jìn)行。(4)頻譜管理實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。傳統(tǒng)的集中式靜態(tài)頻譜管理方式是一種自上而下的雙向頻譜管理過程,需要人的干預(yù)。事先需要對電子裝備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),還要對電子裝備所處的電磁環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,然后再結(jié)合需求情況進(jìn)行集中的頻譜規(guī)劃與分配,自動(dòng)化、智能化程度不高。而具備CR技