基于认知无线电技术的动态频谱访问综述

Salawu Habeebullahi Olajide^＊

尼日利亚伊洛林伊洛林大学电信科学系

*通讯作者:: Salawu Habeebullahi Olajide
电信科学系
伊洛林大学
台,尼日利亚。
电子邮件: (电子邮件保护)

收到日期:10/10/2018;接受日期:20/12/2018;发表日期:26/12/2018

摘要

无线电频谱可以承受可用频谱利用不足的情况。通过频谱分配的静态模型将无线电频谱的块或段分配给特定的用户，通常称为命令和控制模型CCM是频谱分配的常规模型。无线和移动设备使用的日益增长引发了对授权和未授权频谱更动态和更有效的访问技术的需求。动态频谱访问(DSA)是一种很有前途的技术，通过鼓励频谱使用来提高频谱效率，该技术是一种新的频谱访问模式，允许其他用户访问临时在许可的频谱波段中的空白或频谱洞。认知无线电(CR)技术就是其中的一种动态访问工具，这种无线电可以监测、观察并对特定环境中的射频事件做出反应。本文对认知无线电的特点、认知无线电的功能块进行了全面的概述，并进一步探讨了认知无线电研究面临的挑战。

关键字

频谱，动态频谱访问，主要用户，次要用户，认知无线电，空白

简介

认知无线电是指可以动态编程和配置的软件定义无线电(SDR)，用于补充频谱访问，最终趋向于提高频谱效率。该系统能够感知同一附近其他无线电的射频环境。然后，它根据这些信息修改其发射和接收特性(发射功率、操作频率、波形、协议)和其他参数，以便在许可的频谱区域内动态重用可用的无线电频率，以允许更多的同时无线通信[1］．无线电动态搜索许可用户的无线频谱中的空闲信道。其固有的切换到频谱中最佳信道的能力使其即使在使用未经许可的频段时也能实现接近许可的频谱频段性能，与某些在静态信道上运行的无线技术中为防止来自在相邻信道上运行的设备的干扰而强制进行的冗长频率规划相比[2］．此外，引入许可频段、未许可频段和空白(也称为频谱洞)的概念对于本研究的范围至关重要。

材料与方法

特许频谱波段

无线电频谱的一部分由频谱分配和监管机构通过频谱分配的命令和控制模型分配给特定用户。该波段的用户可以免受任何形式的电磁干扰，因为不允许其他用户在频谱上传输[3.]，它们也被称为频带的主用户(pu)。

未经许可的频谱

无线发射机在特定频率下工作，没有规则、规章和授权约束操作。由于多个用户以相同频率操作，用户会受到干扰[3.］．由于用户在该频段经历干扰，频谱分配和监管机构观察频谱效率，这是无线电频谱管理的最终目标。

空白

“空白频段”一词也被称为“频谱空洞”，指的是用户在所有地点都不会一直使用的许可频段的部分。空白区域也可以是未经许可的频段，或者是在许可的相邻信道之间用于保护的频率，以防止破坏性干扰。世界各地的一些频谱监管机构正朝着允许无证使用这些空闲频率的方向发展，前提是许可的传输不受影响。频谱效率有望提高。此波段内的用户称为频谱的次要用户[3.，4］．图1下面描述了许可频谱中的空白。

图1:空白地带[5］．

认知无线电

联邦通信委员会(FCC)最近批准在已获许可的频段使用未获许可的设备，以改善频谱稀缺和频谱效率低下的问题[6，在这一研究领域引起了广泛关注。认知无线电是实现这一目标的关键使能技术之一，它是一个软件-定义无线电(SDR)，可重新配置和可重新编程。软件定义是指在无线电系统内使用软件处理来执行其操作[7］．认知无线电是一种智能无线通信系统，它根据与运行的无线电环境的相互作用来调整其操作参数[6]，主要有三个目标:

•高度可靠的通信

•高效的频谱利用

最小的干扰在主要收发器

设计一种能够提供多波段操作、多标准支持、多业务支持和多信道支持的无线电，是针对不同系统功能进行高度重新配置的必要条件[8］．

认知收音机的特点

认知无线电有两个主要特征，定义如下:

认知能力:这是无线电在其环境中感知射频信息的能力。仅在某些感兴趣的频谱波段监测发射功率水平还不足以实现这一特性。为了避免主收发器的干扰，需要更精细的技术，如自主学习和行动决策，以识别和捕获无线电环境中的空闲和空间变化[7］．

重构性:认知无线电被编程为在各种频率下工作，并使用其硬件设计支持的不同传输访问技术。其重新配置的能力是指调整软件和硬件配置以适应其从指定环境中识别的射频信息[7］．

图2阐述了如何通过无线电特性来实现认知无线电概念。认知无线电通过学习和观察了解它所处的无线电环境，然后据此做出适当的决定。基于这些决定，无线电改变其可重构参数。集成到认知无线电中的可重构参数包括:

图2:认知无线电功能[7］．

•操作频率

•功率等级

•调制技术

•通信协议等。

通过这些特性，认知无线电能够在许可频段中实现空闲频率的空间重用。然后，辅助用户继续监控频谱波段，并在pu开始使用该波段时让位于主要用户，以避免对频谱的授权用户造成干扰[7］．

认知无线电功能块:无线电在预先定义的周期内执行其认知能力和可重构性[9]的四个阶段循环简述如下，并在图3下图:

图3:认知无线电周期[9］．

•频谱感知

•频谱决策或管理

•频谱共享

•频谱移动性

频谱感知

光谱传感指空闲频谱识别。它成为实现一种认知的关键阶段广播网络，它确定许可频谱的哪一部分是可用的，并检测是否存在Pus[10］．频谱感知和估计方法有多种分类方法，本文提出的分类方法是基于频谱感知的频谱机会。图4下面是频谱传感技术的详细分类。它们主要分为两类，合作感知和非合作感知。非合作传感又称发射机检测，进一步分为基于能量的检测、基于匹配滤波器的检测和基于循环平稳特征的检测

图4:频谱感应技术[11］．

合作感知也进一步分为集中式、分散式和混合频谱感知三种类型。

非合作传感

这种感知形式技术指的是一个认知无线电自己行动的时候。无线电探测到主发射机发出的微弱信号。因此，由于主要和认知无线电用户之间缺乏信号，次要用户不知道主要接收器的位置[12］．

•匹配滤波技术:与其他方法相比，需要全面了解PU信号特征，才能在短时间内达到一定的虚警概率[10］

•基于感知的能量检测:在这种感知方案中，通过将输出能量检测器与依赖于噪声底限的阈值进行比较来检测信号，不需要了解pu的信号。它的实现和计算复杂度也很低[13］

•基于循环平稳的传感:通过利用循环平稳的特征来检测主要用户信号。周期平稳特征是信号或其实际数据(如自相关和均值)的周期性函数，或可被有意诱导以辅助频谱感知[13］

•其他非合作传感技术包括基于波形的传感，它需要知道PU信号模式。用于对接收到的PU信号进行自相关的传感[14］

合作传感

合作感知使CR能够从其范围内的多个认知无线电接收感知到的射频信息，认知无线电用户的数量导致更多的处理开销，因此需要时间才能做出最终决策，但可以设想得到准确和更好的决策[10］．合作频谱感知根据感知到的射频信息在网络中的合作CRs之间共享的方式分为三种:集中式、分散式或分布式和混合。表1下面描述了合作传感技术的类型。

表1。合作传感技术。


合作sensingtechniques	描述

集中的传感	一个被称为融合中心的中心身份控制传感过程，通过为CRs选择感兴趣的无线电频段来单独执行局部传感。所有合作的CR通过控制通道将他们的报告发送给fcc，然后FC从这些过程中确定PU的存在，它做出决定并将决定传递给所有合作的CR [15］．









分布式或分散传感	CR用户之间进行一定数量的信号传递，然后通过迭代得到统一的pu决策。16］．也被称为中继辅助的合作感应。它涉及到一个CR用户




混合传感
	传感通道和弱报告通道与CR用户合作，观察弱传感通道和强报告通道，以补充和提高传感性能[17］．

频谱决策或管理

高效、可靠的频谱感知后，频谱接入需要频谱决策。频谱决策是从已识别的可用频段中选择最佳频谱孔以满足应用的QoS要求的能力。频谱决策是信道特性和主要用户操作的函数，同时也受到网络中其他CR用户操作的影响。频谱决策包括两个阶段[18］．根据CR本地感知和主要用户的实际数据，首先对确定为空闲的每个频谱波段进行特征描述。然后根据通道特性选择最合适的孔洞。下面，研究认知无线电和频谱决策过程中的信道特性[18］．

信道特性

频谱空穴特征随时间变化而变化，考虑到时变无线电环境，对这些空穴进行特征描述是很重要的。因此，定义可以表示特定空白的参数对于循环的这一阶段是至关重要的。这些参数简述如下:

干扰:作为信道容量评估的一部分，SU的发射功率可以从主接收机引起的干扰测量中估计出来。

•路径损耗:频率越高，路径损耗越大，传输距离越小。因此，路径损耗是频率和分离的一个因素。通过增加CR的发射功率来弥补这一瓶颈可能会增加其他发射器的干扰

•无线链路错误:鉴于调制方法和频谱的干扰水平，信道错误率有所不同

•链路层延迟:每个通道上需要不同类型的二层协议，以在前面讨论的特性和通道完整性之间建立平衡。这随后会导致链路层延迟

决策过程

在对空闲频段进行表征后，结合QoS要求和频谱特性，选择最合适的频段。CR根据需要调整其传输方式。主要用户活动是用来描述CR网络的共享性质的一个新指标[19]，其特征是在二次传输期间授权操作员出现在频谱上的概率。考虑这个授权用户在频谱波段上出现的频率是至关重要的。

然而，由于授权用户的活动以及无法识别任何频谱频段以满足QoS要求的可能性，因此需要同时利用CR网络中显示不接近的频谱频段进行传输。这种方法产生的信号具有高数据吞吐量，而且不受干扰和授权用户活动的影响。更重要的是，不管其中一个动态频谱是否发生切换，频谱带中剩下的任何部分都保持连续传输[18］．

频谱共享

认知无线电周期的这一阶段涉及在CR用户之间分配频谱，试图访问频谱。协调对频谱中这些空间的访问使得大量用户崩溃在频谱的重叠部分[18］．图5下面介绍了三种主要的频谱共享技术:架构假设、频谱分配行为和频谱访问技术。

图5:频谱共享技术。

这些类别中的每一个都被进一步划分为不同的类型。第一种基于体系结构假设的频谱共享技术分为集中式和分布式两种。

集中频谱共享

这是一个共享过程，一个中心节点控制频谱分配和访问。频谱分配图是由中央实体利用从CR网络的其他节点收到的无线电资源测量报告编制的[18］．

分布式频谱共享

在这种情况下，集中式节点不存在。CR网络的每个节点都有责任在本地管理频谱指定和接达程序[20.］．分布式频谱共享是在没有必要建设基础设施时使用的。CR网络中共享技术的第二种分类取决于频谱分配行为，它可以是合作的或非合作的。

合作频谱共享(Collaborative)

这种频谱共享方案使每个节点考虑其传输如何影响其他发射机。CR网络中的节点可以局部共享彼此的干扰测量，使分布式共享技术与全协作共享技术之间达到了令人满意的协调。

非合作频谱共享(非合作)

它也被称为只考虑本地节点的自私解决方案。测量报告不能在认知无线电用户之间共享，这种方法不能保证频谱的使用。

分析了合作式和非合作式频谱共享的差异，综合考虑吞吐量、体面性和频谱利用率，证明前者的性能优于后者[21］．

第三种频谱共享方案基于认知无线电接入技术，可细分为两种类型:叠加频谱共享和底层频谱共享[18］．

叠加频谱共享

此共享方案包括CR用户(节点)利用主用户频谱中的空白进入网络[18］．当然，这限制了对授权收发器的干扰。

底层频谱共享

在此过程中，通过利用二次用户的扩频技术，将CR节点频谱操作视为噪声[18］．稍微增加其复杂性可以进一步利用可用带宽。由于这种权衡，可以考虑CR网络频谱访问的混合共享技术[18］．

最后，将两种主要的频谱共享技术分类为网络间频谱共享和内网工作频谱共享[18］．表2下面描述了这两种解决方案之间的区别。

表2。内网和内网频谱共享比较。

内网频谱共享				网络间频谱共享
内网频谱共享				网络间频谱共享

该方案考虑了认知无线网络节点间的频谱分配问题。				重点研究互联CR网络节点间的频谱分配问题。


在这种情况下，次要用户可以在不干扰PU传输的情况下获得已识别的可访问频谱				通过包括某些概述的PU政策，提供了频谱共享感知的具体视图。




此共享方案仅适用于独立的频谱区域。				允许在重叠的位置和频谱中部署一系列系统

频谱移动性这是认知无线电周期的最后一个阶段，这个概念涉及到当PU开始在初始空闲频段上传输时，CR用户腾出一个频谱频段。这一过程就是认知无线网络的切换机制，它不同于其他无线网络的切换机制

基于优先级对两类用户的频谱迁移进行了研究，PU为高优先级用户，SU为低优先级用户。高优先级用户有权覆盖低优先级用户的传输，并指示他们腾出频谱，即使次要用户有良好的接收信号强度。频谱迁移率的主要功能如下。

频谱切换

授权用户意外出现在认知无线电用户占用的频谱上，会触发SU尽快腾出该频段。认知无线电使用者会尝试通过以下方法重新获得频谱[22］．

•SU保持在频谱上，但停止传输，直到PU完成在频段上的操作

•这是一种预定的频谱切换方法，CR立即从先前感知的识别为空闲频段的信道列表中选择一个频段

•这种频谱切换方法是基于感知的，CR在瞬时感知后切换到不同的信道。如果恢复进程失败，SU被限制终止其会话

连接管理

当一个PU到达频段时，CR用户被迫决定腾出一个频谱，这引起了在节点上运行的应用程序会发生什么问题。连接管理协议要求频谱切换持续时间，然后估计信息的延迟。基于这些测量，CR预测基于时间的不可用对每个协议的影响，然后通过错误控制技术和协议层重新配置以最小的肮脏性能保持当前传输[23］．

研究挑战

本节简要讨论认知无线电的研究挑战。表3下面通过概述和描述与认知无线电相关的核心问题来简化这一概念[24］．

表3。认知无线电的挑战。

S / N	挑战	意义
1	频谱感知	尽管这是认知功能被探索得最多的部分，但开发一种足够快速和低实现成本的复杂感知技术的问题出现了。




2	先进spectrummanagement	这对于通过动态访问空闲频谱来提高频谱利用率至关重要，
		关键的挑战是实现一个
		有效的MAC机制来控制cr之间的功率水平和频谱分配。
3.	光谱sharingschemes	认知无线电概念的关键问题出现在多路ecr用户共享时，当然这可能会发生碰撞。



4	可信访问和安全	尽管分布式智能系统在遭受攻击时提供了可观的好处。应用——智能敏感应用需要特定的安全无线系统，

结果与讨论

认知无线电作为一种动态频谱接入工具正在被开发，以解决频谱可用性有限和效率低下的瓶颈问题。这种无线电能够提供高效的频谱感知无线通信，本文介绍了它的特点和功能模块。目前，研究正在沿着本调查中介绍的认知无线电限制进行，以确保有效的频谱感知通信的进步。

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