通过认知无线电技术:动态频谱访问调查

Salawu Habeebullahi Olajide^*

台大学电信部门科学、台、尼日利亚

*通讯作者:: Salawu Habeebullahi Olajide
电信部门的科学
台大学
台,尼日利亚。
电子邮件:salawuhabeeb09@gmail.com

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

文摘

无线电频谱出现未充分利用可用的频谱。无线电频谱的分配块或部分特定用户通过频谱分配的静态模型,总的来说,被称为“命令和控制”模型(CCM)是常规的频谱分配模型。日益增长的使用无线和移动设备触发呼吁更有活力和高效的访问许可和授权频谱的技术。动态频谱接入(DSA)是一种有希望的技术来提高频谱效率,鼓励频谱使用,这种技术是一种新的模型的频谱访问,允许其他用户访问空白或光谱洞,暂时在许可的谱带。认知无线电(CR)技术是其中的一个动态访问工具,这台收音机可以监视、观察和对无线电频率(RF)事件在其指定的环境。本文的一个广泛的概述认知无线电功能,认知无线电功能块,而且研究认知无线电研究的挑战。

关键字

光谱、动态频谱访问主要用户、二级用户,认知无线电,空白

介绍

认知无线电是指一个软件定义无线电(SDR)可以动态编程和配置,介绍了补充频谱访问最终倾向于提高频谱效率。系统能够感知无线电频率(RF)其他无线电环境相同的附近。基于这些信息,然后修改其传输和接收特性(传输能量,操作的频率、波形协议)和其他参数动态重用授权频谱地区可用的无线电频率,同时允许更多的无线通信(1]。收音机动态搜索空闲信道的无线频谱授权用户。切换到其固有的能力最好的通道光谱使它能够获得接近授权频谱带性能即使使用未经许可的乐队,而强制乏味一些无线技术操作静态频率规划渠道为了防止邻频道干扰设备操作(2]。更是如此,引入的概念许可乐队,未经授权的乐队和空白也称为频谱孔是至关重要的这一研究的范围。

材料和方法

授权频谱带

无线电频谱的一部分分配给特定的用户频谱分配和监管机构通过频谱分配的指挥和控制模型。用户在这个乐队不受任何形式的电磁干扰,不允许其他用户传输光谱(3),他们也被称为主用户(脓)的乐队。

没有执照的谱带

无线发射机运行在特定的频率没有规则,规定和授权绑定操作。用户受到的干扰,多个用户操作在同一频率(3]。当用户在这个乐队经验干扰,频谱分配和监管机构观察频谱效率是无线电频谱管理的终极目标。

空白

“空白”这个词也被称为“频谱孔是指部分授权频带,用户不使用所有的时间地点。空格也可以无证乐队,或频率留给警卫授权相邻通道之间,防止破坏性的干扰。几个谱世界各地的监管机构正在向允许未经授权的访问这些空频率,受条件许可传播不受影响。提高频谱效率。用户在这个乐队被称为二级用户(SUs)光谱(3,4]。图1下面描述了空白授权频谱。

图1:空白(5]。

认知无线电

最近批准的使用许可的无照设备带由联邦通讯委员会(FCC)来提高频谱稀缺和频谱效率低下的问题6),创造了大量的注意力在这一领域的研究。认知无线电的关键技术来实现这一目标,这是一个软件定义无线电(SDR),可重构和可重复编程的。软件定义指的是使用软件无线电系统中处理来实现其业务(7]。认知无线电是一种智能无线通信系统,调整操作参数基于与无线电环境的交互操作(6实时),有三个主要目标:

•高可靠通信

•高效的频谱利用率

•最小干扰的主要收发器

设计一个无线电能够提供多波段操作,多重标准支持、多服务支持,以及多通道支持高度的需要重新配置不同的系统功能(8]。

认知无线电的特性

认知无线电具有两个主要特点,定义如下:

认知能力:这是一种无线电射频信息的能力在其环境。监测只有一些感兴趣的谱带的传输功率不够成熟的实现这个特性。在主要收发器,避免干扰更精炼技术,如自主学习和行动的决定需要识别和捕获的闲置和空间变化无线电环境(7]。

重构性:认知无线电是程序操作在不同的频率,也使用不同的传输访问技术支持的硬件设计。重新配置是指其能力,适应软件和硬件配置适合射频信息识别从其指定的环境7]。

图2说明了认知无线电的概念可以通过收音机来实现特征。认知无线电知道无线电环境通过学习和观察,然后相应地作出适当的决定。基于这些决策,收音机改变其配置参数。可重构参数集成到认知无线电包括:

图2:认知无线电功能(7]。

•操作频率

•功率

•调制技术

•通信协议等。

通过这些功能,认知无线电使闲置的空间复用频率许可的乐队。二级用户然后继续监控谱带和收益率主要用户只要脓开始使用乐队,以避免干扰授权用户的频谱(7]。

认知无线电功能块:广播一个预定义的周期中执行其认知能力和重构性(9四级周期是介绍如下所示图3下图:

图3:认知无线电周期(9]。

•光谱传感

•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。它变成了一个实现认知的关键阶段广播网络,它决定哪些部分的授权频谱的乐队是可用的和检测脓的存在10]。有多种方法分类光谱传感和估计方法,分类恳求本文基于光谱遥感光谱的机会。图4下面显示了频谱感知技术的详细分类。他们分为两大类,合作感应和非合作感知。非合作的感应也称为发射机检测进一步分为能源检测、基于匹配滤波器检测和周期平稳特性的检测

图4:频谱感知技术(11]。

合作感知也进一步分为三种类型,集中、分散和混合光谱传感。

非合作传感

这种形式的传感技术是指当一个认知无线电的行动。收音机检测微弱信号生成的主发射机。因此,主接收器的位置是未知的二级用户因为缺乏主要和认知无线电用户之间的信号(12]。

•匹配滤波器技术:需要一个全面的知识PU信号特性达到一定概率的假警报在短时间内与其他方法相比(10]

•能源检测传感:传感方案,检测到的信号通过比较输出的能量检测器和一个阈值取决于噪声地板,不需要知识脓的信号。也是实现和计算复杂性低的13]

•Cyclostationary-based传感:检测到主用户信号利用周期平稳特性。周期平稳特性是一个函数的周期性信号或其事实数据自相关和意味着可以诱导故意援助光谱传感(13]

•其他非合作传感技术包括Waveform-based传感要求了解聚氨酯信号模式。在收到聚氨酯用于传感进行自相关信号(14]

合作传感

合作传感使CR接收感觉到从多个认知无线电射频信息在其范围内,认知无线电用户的数量会导致更多的处理开销,因此,需要时间最终决定,但准确、更好的决定是设想[10]。合作频谱感知是分为三种,根据CRs合作之间的感觉到射频信息共享网络:集中、分散或分布式和混合。表1下面描述的合作类型传感技术。

表1。合作的传感技术。


合作sensingtechniques	描述

集中的传感	中央身份称为融合centercontrols传感过程中,通过选择雅典无线电频段对CRs toindividually执行本地传感。Allcooperating CR FCvia控制信道发送他们的报告,FC determinesthe PU从这些过程的存在,这样会决定和扩散decisionback所有合作CRs (15]。









分布式ordecentralized传感	综合决定,CR usersdo一些彼此之间的信号量,然后得出一个统一的毒瘤被清除之前决定迭代(16]。也称为relay-assisted cooperativesensing。它涉及一个CR用户提供一个强大的




混合传感
	传感通道和疲软的报告channelcooperating CR用户观察weaksensing通道和强大的报告channelto补充和改善sensingperformance [17]。

频谱决策或管理

光谱决定频谱访问后需要一个高效、可靠的频谱感知。频谱决策能力选择最好的可用的频谱孔从确定乐队满足QoS需求的应用程序。光谱通道的决定是一个函数特征和主要用户操作,这个决定也受到网络中其他CR用户的操作。光谱决定由两个阶段(18]。每个谱带认定为闲置的第一特征,根据CR本地感知和事实数据的主要用户。选择最合适的洞然后基于信道特征。在以下、通道特征在认知无线电频谱决策过程研究(18]。

信道特性

频谱孔特征会随着时间变化,重要的是描述这些漏洞考虑时变的无线环境。因此,定义参数,可以代表一个特定的白色空间周期的这个阶段是至关重要的。这些参数介绍如下:

干扰:苏用作传输能量的通道容量评估的一部分,可以从干扰引起的测量估计主接收机。

•路径损耗:频率越高,路径损耗越高,传输距离越低。随后,路径损耗是一个元素的频率和分离。补偿这个瓶颈通过增加传输CR的力量可能会增加在其他发射机干扰

•无线连接错误:信道误码率的变化,针对调制方法和光谱的干扰水平

•链路层延迟:不同类型的层2协议需要在每个通道,建立平衡前面讨论的特点和通道的完整性。这随后导致链路层延迟

决策过程

特征谱带认定为闲置后,然后选择最合适的乐队考虑QoS需求和频谱特征。CR调整传输方式的需求。主用户活动是一种新的度量恳求来描述网络共享的本质,CR (19),它是作为授权算子的概率特征出现在频谱中二次传播。把这多久考虑授权用户出现在光谱波段是至关重要的。

然而,由于授权用户的活动和不确定谱带的机会,以满足QoS需求,同时利用频谱乐队表现出不需要接近CR的传播网络。信号从这个方法能够生成高数据吞吐量和也不为所动的扰动和授权用户的活动。更是如此,不管剩下的谱带保持连续传播无论一个动态光谱遇到切换(18]。

频谱共享

认知无线电周期的这个阶段涉及到分配频谱在CR用户试图访问范围。协调光谱中访问这些空间让众多用户坠毁在光谱的重叠部分18]。图5下面显示了三个主要类别的频谱共享技术:体系结构的假设,频谱分配行为和频谱接入技术。

图5:频谱共享技术。

这些类别进一步分为不同的类型。第一个分享技术基于架构假设是两种类型,集中和分布式频谱共享技术。

集中式频谱共享

这是一个分享的过程,一个中心节点控制频谱分配和访问。频谱分配表是由中央实体利用无线电资源测量CR网络中的其他节点收到的报告(18]。

分布式频谱共享

在这种情况下,集中节点缺席。有一个责任CR网络中的每个节点在本地管理频谱名称和访问程序(20.]。分布式频谱共享时使用基础设施建设并不是必需的。第二个分类技术在CR网络分享取决于频谱分配行为,它可以合作和非合作。

合作频谱共享(协作)

这个频谱共享方案呈现每个节点考虑传播如何影响其他发射机。CR网络中的节点在本地股票相互干涉测量,这种方法给出了一个引人注目的分布式共享技术和一个完全和谐协作。

非合作频谱共享(这个)

它也被称为一个自私的只考虑本地节点的解决方案。测量报告不是认知无线电用户之间共享,这种方法并不能保证频谱利用率。

合作和非合作频谱共享的区别分析,考虑到他们的吞吐量,正派和频谱利用率证明前者执行比后者分享过程(21]。

第三个频谱共享方案是基于认知无线电技术和访问可以分为两种类型:叠加频谱共享和衬底频谱共享(18]。

叠加频谱共享

这种共享方案包括CR用户(节点)的网络利用空白在主用户频谱带(18]。当然,这限制了在授权的接收机干扰。

衬底频谱共享

在这个过程中,一个CR节点频谱由脓手术被认为是噪声,通过利用二级用户的扩频技术(18]。轻微增加其复杂性可以进一步利用可用的带宽。混合动力技术CR网络分享频谱访问可能被认为是由于这种权衡18]。

最后,两个主要的频谱共享技术分类的一般关注互联网络频谱共享和频谱共享局域网工作(18]。表2下面描述了这两个解决方案之间的差异。

表2。国际米兰和intranetwork频谱共享的比较。

Intranetwork频谱共享				互联网络频谱共享
Intranetwork频谱共享				互联网络频谱共享

这个计划考虑频谱感知无线电网络的节点之间分配。				集中在频谱分配节点之间相互连接的CR网络。


二级用户,在这种情况下,要确定访问的频谱没有实际干涉PU传播				感知频谱共享的一个具体的视图是由包括某些概述了聚氨酯的政策。




这种共享计划只适用于在一个独立的光谱区域。				使一个数组的系统部署在重叠的位置和光谱

认知无线电频谱MobilityThis是最后阶段周期,这个概念包括CR用户退租谱带,PU开始最初的空闲频带传输。这个过程是认知无线电网络中的传递机制是不同的从交接机制在其他无线网络

两种类型的用户研究频谱移动性基于优先级,高优先级用户和苏的聚氨酯低优先级用户。高优先级有权覆盖低优先级用户传输和指示它们腾出频谱即使二级用户拥有体面的接收信号强度。频谱移动性的主要功能如下。

频谱切换

意想不到的出现一个授权用户的频谱被认知无线电用户触发苏腾出这个乐队尽快。认知无线电用户将通过以下方法尝试恢复光谱(22]。

•苏保持谱但停止传播,直到PU带完成操作

•这是一个预定的频谱切换方法,CR立即从列表中选择一个乐队之前感觉到的渠道确定为闲置

•这个方法的频谱切换sensing-based, CR瞬时感应后切换到一个不同的频道。苏限制终止其会话如果恢复过程失败

连接管理

迫使决定CR用户腾出一个频谱当PU到达乐队带来了问题发生的节点上运行的应用程序。连接管理协议需要频谱切换时间,然后估计延迟的信息。根据这些测量数据,在每个协议是基于时间的不可用的效果预测的CR然后保存当前的传输与最低的性能通过错误控制技术和协议层重新配置(23]。

研究挑战

本节简要讨论认知无线电的研究挑战。表3下面概括和描述,从而简化了这一概念与认知无线电相关的核心问题(24]。

表3。认知无线电的挑战。

S / N	挑战	意义
1	频谱感知	虽然这是最exploredthe认知功能,针对发展中一个复杂的sensingtechnique足够快,lowimplementation成本产生。




2	先进spectrummanagement	这是必要byenablingdynamic improvingspectrum利用空闲频谱,
		关键的挑战是实现一个
		高效的MAC controlthe功率和频谱allocationamong CRs的机制。
3	光谱sharingschemes	关键问题与这一概念ofcognitive coursethere无线电multipleCR用户共享时出现,可能是一个碰撞。



4	信任的访问和安全	虽然,distributedintelligent系统提供了明显的好处在事件的攻击。应用特定的安全的无线系统isrequired智能和sensitiveapplication

结果和讨论

认知无线电作为一种动态频谱接入工具正在开发的瓶颈提供解决方案有限的频谱可用性和效率低下。这台收音机是装备提供高效spectrum-aware无线通信的特性和功能模块是本文中给出。研究目前正在进行的认知无线电限制了调查,以确保发展高效spectrum-aware沟通。

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