认 知 无 线 通 信 系 统 的 频 谱 资 源 管 理Spectrum Resource Management of Cognitive Radio 2009-03-23 摘 要:作 为 认 知 无 线 电(CR)技 术 核 心 问 题 的 无 线 频 谱 资 源 管 理 技 术 是 提 高 认 知 无 线 电 性 能 的 关键 。通 过 引 入资 源 空 间 的 概 念 对 认 知 无 线 电 技 术 领 域 中 的 无 线 频 谱 资 源 管 理 技 术进 行 说 明 ， 形 成 了 无 线 频 谱 资 源 空 间 、资 源 网 格 、 可 用 资 源 图 谱 等 无 线 资 源 管 理 的 数 据 体 系 ， 并 且 构 建 了相 应 的 分 层 分 布 式 管 理 结 构 和 资 源 管 理数 据 库 。 形 成 的 资 源 描 述 体 系 和 管 理 结 构 可 以 成 为 研 究 认 知 无 线 电资 源 管 理 技 术 的 理 论 概 念 基 础 和 借 鉴 支持 。关 键 字:认 知 无 线 电 ； 无 线 频 谱 资 源 管 理 ； 资 源 空 间英 文 摘 要:As the core question in the Cognitive Radio (CR) technique field, the wireless spectrum resource management technology has the ability to enhance the CR communication system performance. Here the resource space concept is added to the management technology, and the manage system is submitted with the wireless frequency spectrum resources space, the resources grid, the available resources atlas. Also the corresponding lamination distributional management structure and the resource management database are constructed. The resources description system and the management structure submitted will become the theory concept foundation of the CR spectrum resources management technology. 英 文 关 键 字:cognitive radio; wireless spectrum resource management;resource space基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划(“973”计 划)项 目(2009CB320404)飞 速 发 展 的 无 线 通 信 系 统 和 网 络 正 面 临 着 一 系 列 的 障 碍 ， 例 如 迅 速增 长 的 带 宽 需 求(如 单一 网 络 的 带 宽 需 求 从 几 兆 赫 兹 增 加 到 几 百 兆 赫 兹)与 高 速 业 务 的 需 求(如 单 用 户 从 几 兆 比 特每 秒 增 加 到 几 百 兆 比 特 每 秒)和 有 限 的 频 谱 资 源 之 间 存 在 着 固 有 的 矛 盾 ；例 如 多 种 制 式(如 移动 通 信 有3G/E3G/4G)异 构 的 无 线 网 络(无 线 局 域 网/移 动 通 信/无 线 接 入)需 要 良 好 和 谐 的 共存 等 等 。 如 何 提 高 频 谱 的 利 用 率 和 保 证 不 同 异 构 无 线 网 络 的 协 同 工 作 ，以 满 足 多 种 业 务 需 求 和 更 好的 用 户 体 验 已 成 为 无 线 通 信 发 展 的 必 然 趋 势 和 主 要 挑 战 。认 知 无 线 电 技 术 是 应 提 高 频 谱 利 用 率 而 生 并 被 广 泛 关 注 的 技 术 。认 知 无 线 电(CR)的 概 念 最 早 是 由Joseph Mitola等 在1999年 提 出 的 ， 它 是 软 件 无 线 电 技术 的 演 化 ，是 一 种 新 的 智 能 无 线 通 信 技 术 。它 可 以 感 知 到 无 线 电 传 输 的 环 境 特 征 ，并 通 过 无线 电 知 识 描 述 语 言 与 通 信 系 统 进 行 智 能 交 流 ，对 无 线 环 境 分 析 、理 解 和 判 断 ，自 适 应 地 调 整系 统 的 通 信 参 数 ，在 不 影 响 授 权 用 户 通 信 的 前 提 下 ，智 能 地 利 用 空 闲 的 频 谱 为 认 知 用 户 提 供随 时 随 地 、 高 可 能 性 的 接 入 ， 极 大 地 提 高 了 频 谱 利 用 率 。认 知 无 线 电 概 念 的 提 出 引 起 了 通 信 界 的 广 泛 关 注 ，无 线 业 界 普 遍 认 为 它 是 解 决 无 线 频 谱 资源 低 利 用 率 问 题 的 最 佳 方 案 ， 将 成 为 下 一 波 有 冲 击 性 的 浪 潮 。利 用 认 知 无 线 电 技 术 ， 可 使 没 有 频 率 使 用 许 可 的 用 户 在 对 法 定 授 权用 户 不 产 生 影 响 的 前 提 下 ， 来 使 用 已 分 配 的 频 段 ， 从 而 更 高 效 地 对无 线 频 谱 资 源 加 以 利 用 。 这 种 特 性 使 得 认 知 技 术 成 为 缓 解 日 益 紧 张的 频 谱 资 源 压 力 的 有 效 方 法 之 一 。 认 知 无 线 电 技 术 本 质 上 是 一 种 智 能 的 利 用 频 谱 资 源 的 方 法 ， 它 通过 感 知 能 力 探 测 并 获 得 可 用 的 频 谱 资 源 ， 对 这 些 资 源 进 行 管 理 和 协调 ， 然 后 分 配 给 无 线 用 户 进 行 优 化 的 使 用 ， 从 而 获 得 高 性 能 的 频 谱利 用 率 。 因 此 可 以 说 ， 认 知 无 线 电 通 信 的 过 程 是 围 绕 着 对 频 谱 资源 的 高 效 管 理 和 利 用 开 展 和 进 行 的 ， 对 无 线 频 谱 资 源 管 理 技 术 的 研究 是 探 索 认 知 通 信 领 域 中 的 关 键 组 成 和 重 要 分 支 。 在 认 知 环 形 结 构(CC)中 ， 对 资 源 的 管 理 和 分 配 控 制 是 非 常 关 键 的 一 环 。 只 有 在 良 好的 管 理 体 系 指 导 下 ， 才 能 对 频 谱 资 源 进 行 最 佳 的 使 用 。 1 无 线 频 谱 环 境 资 源 的 描 述 认 知 无 线 电 技 术 是 对 无 线 频 谱 资 源 的 利 用 ， 因 此 认 知 无 线 电 技 术领 域 中 接 受 管 理 的 主 体 就 是 无 线 频 谱 资 源 。 为 了 能 够 对 频 谱 资 源 形成 更 高 效 更 优 化 的 利 用 ， 首 先 就 需 要 对 其 进 行 透 彻 的 分 析 ， 考 察 它们 的 特 征 指 标 和 状 态 参 数 ， 这 样 才 能 形 成 更 好 的 选 取 关 系 。 在 以 往 的 研 究 中 ， 针 对 频 谱 感 知 获 得 的 环 境 特 征 已 经 形 成 了 一 些描 述 参 数 ， 从 而 从 多 个 侧 面 构 建 了 针 对 资 源 可 用 性 的 衡 量 标 准 。比 较 典 型 和 传 统 的 方 式 是 以 干 扰 温 度 作 为 衡 量 频 谱 性 质 的 参 量 ，Simon Haykin 在 文 献 1中 给 出 了 干 扰 温 度 的 定 义 以 及 对 它 进 行 估计 的 方 法 ， 并 把 它 作 为 衡 量 频 谱 空 洞 可 用 与 否 的 指 标 。 除 此 之 外 还 有 许 多 类 似 方 面 的 文 献 和 研 究 成 果 ， 例 如 文 献 2提 出 了 一 种 频 谱 容 量 估 计 的 方 法 ， 这 种 方 法 是 考 虑 带 宽 和 允 许 的 传输 功 率 以 及 它 们 之 间 的 内 在 关 系 ； 文 献 3用 对 自 回 归 系 数 、 动 态噪 声 、 测 量 噪 声 等 分 析 状 态 空 间 模 型 ， 并 选 择 合 适 的 信 道 跟 踪 策 略 ，从 而 获 取 信 道 状 态 信 息 。 然 而 ， 这 些 研 究 和 分 析 所 针 对 的 参 数 仅 仅 局 限 于 对 无 线 频 谱 资 源的 局 部 描 述 ， 只 对 无 线 频 谱 资 源 的 单 一 性 能 特 征 或 者 极 少 的 几 项性 能 特 征 进 行 刻 画 。 因 此 ， 所 涉 及 的 资 源 量 无 法 对 无 线 频 谱 资 源 的整 体 特 性 或 者 相 对 比 较 全 面 的 特 性 进 行 描 述 ， 从 而 在 认 知 无 线 电 资源 管 理 中 将 只 能 依 靠 局 部 资 源 特 征 针 对 无 线 频 谱 资 源 进 行 分 析 和 管理 ， 对 资 源 的 分 配 也 只 能 获 得 片 面 性 能 的 提 升 ， 为 资 源 的 管 理 与 选取 留 下 隐 患 。 以 应 用 最 为 广 泛 的 干 扰 温 度 为 例 ， 系 统 所 考 察 的 对 象 是 某 个 区 域内 部 的 干 扰 温 度 值 ， 它 是 一 种 等 同 于 信 号 强 度 或 者 功 率 谱 密 度 的 概念 ， 仅 能 够 反 映 频 谱 环 境 随 时 间 的 变 化 ， 可 以 看 作 是 一 种 时 频 关系 的 体 现 。 同 时 ， 如 果 利 用 文 献 1所 述 的 多 窗 谱 估 计 联 合 奇 异 值分 解 (MTM-SVD)方 法 进 行 干 扰 温 度 估 计 ， 那 么 得 到 的 将 会 是 一 个 个区 域 内 统 一 的 强 度 体 现 ， 如 图 1 所 示 的 某 个 时 间 点 的 干 扰 温 度 估计 结 果 。 对 于 频 谱 资 源 的 再 次 利 用 而 言 ， 图 1 中 表 示 的 结 果 在 空 间 位 置上 被 区 域 统 一 化 ， 使 得 判 决 可 利 用 的 资 源 也 在 空 间 上 被 生 硬 分 割 ，隐 形 地 丧 失 了 许 多 可 用 资 源 。 如 果 能 够 在 原 有 干 扰 温 度 的 基 础 上 ， 引 入 相 应 的 空 间 位 置 因 素 ，通 过 改 进 估 计 方 法 ， 就 能 够 获 得 如 图 2 所 示 的 干 扰 温 度 估 计 结 果 。可 以 看 到 ， 此 时 平 滑 的 空 间 变 化 取 代 了 原 来 结 果 中 的 区 域 阶 跃 变 化 ，使 得 用 来 评 判 频 谱 资 源 可 用 与 否 的 干 扰 温 度 从 时 频 的 特 征 变 为 空时 频 共 同 作 用 的 特 征 。 从 上 面 的 例 子 可 以 看 到 ， 增 加 了 空 间 度 量 特 征 的 干 扰 温 度 与 原 始干 扰 温 度 相 比 ， 丰 富 了 资 源 的 描 述 特 征 ， 在 原 有 基 础 上 引 入 了 空 间坐 标 特 征 ， 也 使 得 判 决 可 用 资 源 的 空 间 区 域 更 加 精 确 ， 对 资 源 的