认知无线电

认知无线电频谱分配林培培1目录认知无线电研究背景认知无线电基本知识认知无线电的频谱分配认知无线电的研究背景随着无线通信需求的不断增长,当前固定的频谱分配政策已不能满足人们的需求,频谱资源变得越来越紧张。而解决频谱资源匮乏问题的基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。因此人们提出了认知无线电技术,可以从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源,从而有效解决了频谱资源的不足,提高频谱资源的利用率。认知无线电的基础知识1、认知无线电(CognitiveRadio,CR)概念认知无线电是一种能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时、自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱的无线电。即无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和高效的频谱利用率，以达到最佳匹配效果。认知无线电的主要任务就是能够自主的发现“频谱空穴”，然后对“频谱空穴”进行合理有效地运用。认知无线电原理图频谱感知无线环境频谱分析频谱判决发射信号频谱激励信道容量频谱信息2、认知无线电原理3、认知无线电的特点1.对环境的感知能力2.对环境变化的学习能力3.对环境变化的自适应性4.通信质量的高可靠性5.对频谱资源的充分利用6.系统功能模块的可重构性频谱分配一、概念频谱分配就是根据需要接入系统用户数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定用户。频谱分配的主要目的就是通过一个自适应策略有效的选择和利用空闲频谱。利用动态频谱分配策略，可有效的提高无线通信的灵活性，使授权用户和非授权用户之间避免冲突，公平地享有频谱资源，满足用户因不同业务而不断变化的需求。二、频谱分配原则保证灵活性可用频谱的信息必须实时更新，而一旦授权用户恢复对某段频谱空间的使用，认知用户就必须在较短时间内退出该频谱，选择其它的频谱进行通信。提高系统性能频谱分配技术的首要目的是对可用频谱空间进行合理的分配，使得系统性能得到改善或逼近于最优状态。减小信令开销和计算量频谱分配算法的设计必须考虑用户间以及用户与中心控制器之间控制信令的复杂程度。9三、频谱分配技术分类及其特点频谱分配技术的分类特点按分配方式分类静态频谱分配这种方式比较简单，系统开销小，分配不灵活，不能满足用户不断变化的需求。动态频谱分配自适应的利用频谱资源，可以满足不同用户的需求，增大系统容量，提高频谱利用率。混合式频谱分配是静态和动态频谱分配相结合的方式，既保持了静态分配的特点，又不失去灵活性。频谱分配技术的分类特点按网络结构分类集中式频谱分配以实体为中心，完成对小区各用户的频谱分配。分布式频谱分配无中心控制节点，频谱分配结果与节点采用的策略有关。按合作方式分类合作式频谱分配小区中各节点相互合作，节点的频谱分配策略不仅考虑本节点的应用需求，还考虑此策略对其他用户造成的影响。非合作式频谱分配节点的频谱分配策略只考虑节点本身的需要，这类用户可定义为自私用户，在这类分配方式下，系统的频谱利用率与合作式分配方式相比会有所下降。四、频谱分配模型1、基于图论的频谱分配模型图论着色模型于蜂窝通信时代就应用于小区的频率规划和支配，是一种较为成熟的模型。由于择机使用主用户的频谱，因此认知用户的可用频谱受到了主用户位置、工作状态及覆盖范围的影响，具有空时变化的特性。认知无线电系统的图论着色模型图图论着色模型是由Zheng等人提出的，它以图论为基础，在频谱分配的研究中，将认知用户构成的网络拓扑结构抽象成图。图中方框代表认知用户V，对于认知用户（图中顶点1-5）来说有三个信道（A、B、C）是有机会可用的，假设所有信道拥有相同的带宽。表示授权用户，它们目前正占用信道A、B、C、C。频谱共享协议规定，主用户占用的信道不能被其邻近的认知用户使用。因此，在主用户干扰范围内的认知用户不能与主用户使用同一频段。在图中，虚线组成的圆代表各主用户的干扰范围。(,,)GVELIIVIIV基于图论的模型中规定了空闲矩阵，效益矩阵，干扰矩阵和分配矩阵四个基本矩阵。•空闲频谱矩阵•效益矩阵将矩阵L与矩阵B相结合，可得出有效频谱的效益。14..{ll{01}}nmnmNML、.{b}nmNMB..{lb}BnmnmNML•干扰矩阵集合•无干扰的频谱分配矩阵A必须满足无干扰条件：15,,,,{{0,1}}nkmnkmNNMCcc,,{{0,1}}nmnmNMAaa,,0nmkmaa,,1,,,nkmfcnkNmM基于着色理论的频谱分配方法具有时间开销小的优点，但精度不够高。2、基于博弈论的频谱分配模型16进行频谱分配时，博弈论一般用于分析分布式网络中各认知用户是如何竞争频谱的，并根据所获信息单独进行决策。博弈的标准式包括：（1）博弈的参与者；（2）每一参与者可供选择的战略集；（3）针对所有参与者可能选择的战略组合，每一参与者获得的收益.通常一个博弈过程包括五个方面：1、参与者：博弈中进行独立决策的参与者也称为局中人2、策略：在每一局博弈中，参与者都会选择一种实际可行的方案3、信息：它是参与者选择策略的前提4、次序：由于每个博弈方的决策有先后之分，所做的决策也不止一次，这样就产生了次序。5、得失：博弈的结果称为得失。频谱分配博弈系统模型的流程图该方案以频谱管理机构为频谱分配中心具有实际意义，它有利于频谱管理，有利于频谱租赁市场的规范化。常见博弈模型1、古诺（Cournot）博弈模型2、伯川德（Bertrand）博弈模型3、斯坦克尔（Stacklberg）博弈模型4、重复博弈193、干扰温度模型干扰温度主要用来度量干扰功率及其相应带宽。在这个模型中，工作在授权频段的认知设备可以通过测量干扰环境来调整发射机的功率、频谱等，避免对授权用户的干扰超过规定的温度限。干扰温度定义为：式中，表示中心频率为、带宽为B范围内的平均干扰功率，单位为瓦特（w)，k为波尔兹曼常数。11(,)(,)ccPfBTfBkB1(,)cPfBcf认知无线电系统中的干扰温度模型4、拍卖竞价模型拍卖竞价的频谱分配模型中通常采用集中式的网络结构，中心控制器充当拍卖人，认知用户为投标者。每一次拍卖中，投标者为了满足自身需求给频谱资源投价，拍卖人会根据确定规则来判定胜利者。特点：1、用户行为都是非合作性的。2、频谱分配算法需要合理的计算开销和执行时间3、具有集中控制和分布式行为的性质4、信令开销小。与其他分配方式相比，拍卖竞价机制的优势是：它被自然分散，需要较少的信令交换和计算开销。但是，拍卖竞价模型只适用于主，次用户间为租用关系的认知无线电系统，应用范围也具有局限性。