动态频谱接入

摘要

动态频谱接入（DSA）是一种新的频谱共享模式，这种模式允许二级用户在授权的频谱带宽中获得丰富频谱空隙。DSA技术可以以缓解频谱短缺问题并且提高频谱利用率。在这篇文章中，我们讨论了DSA 所面临的的挑战，旨在揭示其未来的走向。首先，我们介绍了前沿的频谱感知和频谱分享。其次，我们调查那些能阻碍DSA成为主要的商业部署的挑战。我们相信，要应对这些挑战，一个新的DSA模型是很关键的，在这种模式下，授权的用户可以在DSA中相互合作，因此获得更加灵活的频谱共享是可能的。此外，未来的DSA模型应考虑到政治，社会，经济和技术因素，为DSA在商业上的成功铺平道路。为了支持这种未来的DSA模型，未来的认知无线电预计将提供更多的组件和功能，执行政策，提供一个带激励的和能共存的机制等。我们称未来这种具有更广的功能的认知无线电为网络无线电，并讨论其体系结构，以及未来DSA的设计问题。

简介

传统上，频谱分配政策是为已经授权的用户提供一个固定的频谱，且这个频谱是独家享用的。虽然这项政策在过去的几十年里一直运作良好，近年来无线服务的激增暴露这个政策的缺点：1.导致频谱缺。2.另一方面，大量的授权频谱在时间和空间上均未得到充分利用。这些在时间和空间领域未使用的频谱波段，也称为频谱空洞或频谱空白，为无线通信提供了一个很好的机会。DSA是一种新的利用频谱空洞的实现频谱共享范例，利用频谱空洞，从而缓解频谱短缺的问题，并且提高了频谱利用率。通过DSA，SUs（二级用户）能够动态地搜索空闲频谱波段，暂时使用他们来进行无线通信。为了避免和PUs（初级用户）发生冲突，，SUs都持续地监控频段，当PUs是开始利用一个

波段时，SUs得避让PUs。

在认知无线电技术的最新进展下DSA认知无线电技术成为可能。认知无线电典型地包含一个模拟射频前端，一个数字处理引擎（也可以是通用处理器，数字信号处理器（DSP），或一个定制的现场可编程门阵列（FPGA）板）。大多数无线电功能，如信号处理功能通过运行在数字处理引擎上的软件成为可用的。通过编程的数字处理引擎，认知无线电可以感知周围频谱环境并相应地适应无线参数，例如：中心频率，带宽，传送功率，和能利用初级用户目前不能使用的频段的波形。

由于提高频谱利用效率具有很大希望，所以在过去的十年已经有大量的的DSA和认知无线电的研究工作。也有相当多的关于无线电或DSA网络方面的调查研究，参阅文献[1]。虽然这些调查研究主要集中在认知无线电网络的网络设计问题，但在这篇文章中，我们讨论了DSA 的挑战，旨在揭示其未来。我们首先介绍了最先进的频谱检测和频谱共享。然后，我们着重讨论了能够防止DSA成为主要商业部署的挑战。我们相信，要应对这些挑战，一个新的DSA模型是至关重要的，在这个新的DSA模型中PUs被激励而一起合作，因此，灵活的频谱共享是可能的，例如频谱检测可以大大简化，而且SUs被允许可以和PUs在一个频段传送数据。此外，未来的DSA模型应考虑的政治，社会，经济和技术等因素。为了支持未来的DSA模型，需要额外的组件和功能，以提高认知无线电性能。我们把未来的有更广能力的认知无线电称为网络无线电。

本文组织如下：介绍DSA模型，讨论了频谱感知，描述了频谱共享和接取，还讨论了目前DSA所面临的挑战及可能的突破点，还描述了我们对未来DSA及网络无线电的愿景。

DSA模型

目前总共有3种DSA模型：interweave, underlay and overlay[2]。 interweave DSA 模型是本文主要学习研究的DSA模型之一，还是DSA业界约定俗成的标准。它与underlay and overlay模型的区别在于：只要PU还在这个被授权的谱带中活动，SU就不能接入该频段。此外， PU有绝对优先使用频段的权利，只要PU访问频段时，访问此频段的SU就得避让PU。因此，交织DSA模型也被称为机会频谱接入，此情况下SU受限制地投机利用这些时空上或频域上的频谱空白，在交织DSA模型下，SU利用认知无线电感知周围频谱环境，然后选择一个或多个闲置的频段，把认知无线电转换成选定的频段来传送，图1a很好地说明了频谱的动态性和SU怎样利用交织DSA模型搜索和访问空闲的频谱带。

underlay DSA模型允许SU访问许可的频段，不管PU是否访问，遭受来自所有二级用户累计的干预的约束对一级用户来说是可容忍的的，即下面的一些阈值的约束。有两种方法可以满足该约束。在第一种方法中，二级用户发射功率在很宽的频谱范围内传播以至于对在每一个授权频段上的二级用户的干扰远低于阈值。这是采取的超宽带（UWB）技术的方法。这种方法主要用于短距离通信。第二种方法被称为干扰温度(即频段内的干扰功率谱密度，它的设定是用来量化和管理无线环境中的干扰问题)。通过这种方法，二级用户可以在授权频谱上以更高的功率传输数据，只要来自所有的SU上的总干扰低于某个阈值。我们面临的挑战就是如何测量对PU的总干扰的和如何实施对二级用户的限制。对于这一挑战，美国联邦通信委员会（FCC）提交的干扰温度方法。图1b说明了在 underlayDSA模型中一个SU如何和PU 在一个频段上共享一个范围广泛的频谱。

overlayDSA模型是DSA的一个较新发展模型。类似于底层DSA模型，即使当PU访问一个波段时，上层DSA模型也允许PUs传送，然而，约束条件是不同的。不是约束SU对PU的干扰，而是通过限制SU的传送功率，上层DSA模型的目标保持的PU执行。只要对PU的性能不引起退化，SU被允许和PU同时发送。上层DSA模型的第一种方法是使用信道编码( channel coding [2])。具体而言，当一个PU发射器发送一个PU数据包时（这个数据包对SU来说是知道的），SU发射器可以将它的发射功率分成两部分，一部分是发送其自己的（SU）的数据包，另一部分是用来传送PU的数据包以提高在PU接收机接收的总功率，使得冲突信号和噪声比（SINR）在PU接收机上不会降低。此外，SU发射机可以使用脏纸编码来对SU的数据包进行预编码，这样由PS数据包传送引起的对SU接收机干扰就不存在了。 overlayDSA模型的另一种方法是使用网络编码 [3]。采用这种方法，SU作为不连通和弱连通节点之间的中继节点来服务。当转播PU数据包时，SU可以通过网络编码把SU 的数据包编码到PU的数据包上。因此SU数据包的传输不招致独立的频谱接入，也不会降低该PU的性能。

overlayDSA模型的一个显著性能就是它能够给PU提供激励以鼓励其来进行合作。通过信道编码方法，SU传送机可以分出足够的功率来发送PS数据包使得PU的接收机处的信号干扰噪声比增加，这样PU 执行效果就得到很大的提高。通过网络编码方法，可以提高传输的数据频率，并且获得一个较高的PU数据吞吐量也是可能的（见[3]）。总之，对于PU和SU ，上层DSA模式创造了一个“双赢”的模式。图1c 说明了SUs和PU在上层DSA模型如何共享频谱的。