认知无线电拓扑控制与信道分配
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二 基本概念
认知无线电的概念最早是由 MITOLA J在1999年发表的一篇论文中提出的 [2]。认知无线电网络中存在两类基本用户，授权用户和非授权用户，也分别称 为主用户(primary user,简称PU)和次级用户(second user,简称SU)。目前固定 的频谱分配政策是把授权频谱分配给主用户，所以他们具有使用授权频谱的绝 对优先权。次级用户具有实时检测频谱空穴(频谱空穴是频谱域上未被PU占用 的频段)的能力，即，当某一时刻授权频谱处于空闲状态，没有被主用户占用时， 次级用户就可以接入这段频谱，进而利用这段频谱进行数据输。
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这种次级用户机会式的接入授权频谱的方式又称为动态频谱接入 (dynamic spectrum access,简称DSA)[3]。动态频谱接入可以在很大 程度上提高授权频谱的利用效率。下图是动态频谱接入示意图。
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信道分配的目的是为次级用户分配适合自己业务传输的信道。 信道分配策略主要有两类: （1）预留（proactive）策略：在通信链路建立之前，首先从所有可用信道中划
PU
SU
SU
PU
B1 B2 B3
B6 B7
频谱带
B1
B3 B4
B6 B7
频谱带
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underlay模型中，SU可以接入授权频段，不管PU是不是在访问当前 频段。但是前提是要保证PU可以承受来自所有SU引起的干扰总和。即 所有次级用户对PU的干扰总和要低于某个设定的门限。在这种模式下虽 然增加了SU接入授权频谱的机会，但是缺少主用户与次级用户之间的交 互，很难控制对主用户的干扰。下图为underlay频谱共享模型的示意图。
PU+SU
SU
PU
B1 B2 B3
B6 B7
频谱带
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认知无线电网络的拓扑优化和信道分配主要考虑以下几个方面的问题： 1.主用户的信号发射功率和信号传输区域都远大于次级用户，所以当
主用户突然出现在当前次级网络正在使用的信道上时，多个次级用 户的数据传输将会受到影响。 2. 次级用户为了继续数据传输，需要尝试其他的信道，这需要频谱感 知，发现邻居用户和信道切换，还有次级用户之间的信道争用，这 会产生很多开销和增加数据接收的时间延时。 3.当一个次级用户进行信道切换时，可能会造成他与邻居节点没有共 同的信道，而迫使邻居节点也需要作出相应的信道调整，进而可能 会造成多个次级用户的信道发生变化。 4.主用户出现在任何一个授权信道上都是随机的，由于这种主用户出 现的不确定性，可能会对整个次级网络的整体性能产生影响。
认知无线电网络的信道分配与拓扑控制
一 研究背景
美国联邦通信委员会FCC的研究报告[1]指出，频谱使用率随时间、地区 和频带的不同而不同，其范围在15％～85％之间。并且其中只有少部分的频 谱使用率较高，大部分频谱都处于长期空闲状态，甚至部分频谱没有被占用。 下图为某一时间美国纽约的频谱使用情况分布图。
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三 共享模式
主用户和次级用户共享频谱的方式大致可分为interweave， overlay和underlay三种基本模型[10]。interweave模型中，PU拥有 使用频段的绝对优先权。只要PU还在被授权的频段上进行信号传输， SU就不允许接入该频段。并且当SU利用某频段进行信号传递时，一旦 PU访问该频段时，SU就必须立刻退出该频段。这种方式中，SU通过机 会的检测频谱空穴进行频谱接入，可以有效的控制SU对PU的干扰。下 图为interweave频谱共享的示意图。
Fra Baidu bibliotek
PU B1 B2 B3
B6 B7
SU 频谱带
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overlay 模型旨在保护PU的传输性能，即在保证PU能正常进行信号传输的 情况下，SU可以利用该授权频段进行自身的信号传输，并不限制SU的发射功 率。通过协商合作，当SU和PU达成一致的协议后，SU可以充分意识到自己 在团队中的的作用，并履行其应该担当的义务。因此在这种PU和SU合作的背 景下，次级的传输机会就不是随机的了。在这种模式中SU通过向PU提供某些 特殊的服务来交换传输自己信号的机会。形式有租用主用户不经常使用的频 谱段或者是中继主用户的通信等等。下图为overlay模式示意图。
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我们可以看出频域上的一些频段几乎没有被使用或者很少使用，但是有 一些频段却一直被高频率占用。固定的频谱分配方式很大程度上限制的频谱 的使用，为了提高频谱资源的利用率，提倡频谱的“二级利用”，作为一种 能感知周围无线环境，自适应调整工作频率、功率和传输方式等工作参数的 无线通信方式—认知无线电的出现，极大地提高了频谱的利用效率，实现了 频谱的多样性。
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四 基本模型
1、图着色模型 认知无线电网络中，主用户的出现和其对信道的释放是随机的,次级用户 周期在性检测到的信道可用情况是不断发生变化的。为了便于分析，我们通 常假设在一次信道分配过程中次级用户检测到的可用信道是不变的，为了避 免干扰，信道的分配需要满足下面的限制条件： a.信道的检测结果是是完全正确的，即当前次级用户检测到的所有可用信 道和主用户未占用的信道是完全匹配的。 b.次级用户可以分配相同的信道，但是要保证它们不在相互的干扰范围内， 并且发送功率不能超过一定的限制。
分出一定数量的空闲信道，并对他们进行优先级判断（可以考虑信道质量， 信道空闲时间等因素），建立系统的预留信道列表，当主用户占用了次级用 户正在使用的信道时，次级用户从预留信道中选择优先级最高的信道进行数 据传输。 （2）即时（reactive）策略：在认知用户需要进行频谱切换的时候，随机感知当 前的可用信道，一旦确认某信道可用，就切换到该信道上，次级用户将在下 一个新的时隙到来时开始数据传输。 拓扑控制的目的是在为次级用户分配信道的同时，考虑整个次级网络的连通 性，确保网络的健壮性。
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在这些限制条件下，次级用户信道的分配发生冲突时，信道分配问题 可转化为图着色问题[11-14]。在认知无线电网络中，设 V 是节点集合，E
是信道分配相互冲突的关联边矩阵，L是信道可用状态矩阵。则认知无线电
认知无线电的概念最早是由 MITOLA J在1999年发表的一篇论文中提出的 [2]。认知无线电网络中存在两类基本用户，授权用户和非授权用户，也分别称 为主用户(primary user,简称PU)和次级用户(second user,简称SU)。目前固定 的频谱分配政策是把授权频谱分配给主用户，所以他们具有使用授权频谱的绝 对优先权。次级用户具有实时检测频谱空穴(频谱空穴是频谱域上未被PU占用 的频段)的能力，即，当某一时刻授权频谱处于空闲状态，没有被主用户占用时， 次级用户就可以接入这段频谱，进而利用这段频谱进行数据输。
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这种次级用户机会式的接入授权频谱的方式又称为动态频谱接入 (dynamic spectrum access,简称DSA)[3]。动态频谱接入可以在很大 程度上提高授权频谱的利用效率。下图是动态频谱接入示意图。
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信道分配的目的是为次级用户分配适合自己业务传输的信道。 信道分配策略主要有两类: （1）预留（proactive）策略：在通信链路建立之前，首先从所有可用信道中划
PU
SU
SU
PU
B1 B2 B3
B6 B7
频谱带
B1
B3 B4
B6 B7
频谱带
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underlay模型中，SU可以接入授权频段，不管PU是不是在访问当前 频段。但是前提是要保证PU可以承受来自所有SU引起的干扰总和。即 所有次级用户对PU的干扰总和要低于某个设定的门限。在这种模式下虽 然增加了SU接入授权频谱的机会，但是缺少主用户与次级用户之间的交 互，很难控制对主用户的干扰。下图为underlay频谱共享模型的示意图。
PU+SU
SU
PU
B1 B2 B3
B6 B7
频谱带
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认知无线电网络的拓扑优化和信道分配主要考虑以下几个方面的问题： 1.主用户的信号发射功率和信号传输区域都远大于次级用户，所以当
主用户突然出现在当前次级网络正在使用的信道上时，多个次级用 户的数据传输将会受到影响。 2. 次级用户为了继续数据传输，需要尝试其他的信道，这需要频谱感 知，发现邻居用户和信道切换，还有次级用户之间的信道争用，这 会产生很多开销和增加数据接收的时间延时。 3.当一个次级用户进行信道切换时，可能会造成他与邻居节点没有共 同的信道，而迫使邻居节点也需要作出相应的信道调整，进而可能 会造成多个次级用户的信道发生变化。 4.主用户出现在任何一个授权信道上都是随机的，由于这种主用户出 现的不确定性，可能会对整个次级网络的整体性能产生影响。
认知无线电网络的信道分配与拓扑控制
一 研究背景
美国联邦通信委员会FCC的研究报告[1]指出，频谱使用率随时间、地区 和频带的不同而不同，其范围在15％～85％之间。并且其中只有少部分的频 谱使用率较高，大部分频谱都处于长期空闲状态，甚至部分频谱没有被占用。 下图为某一时间美国纽约的频谱使用情况分布图。
西安电子科技大学
三 共享模式
主用户和次级用户共享频谱的方式大致可分为interweave， overlay和underlay三种基本模型[10]。interweave模型中，PU拥有 使用频段的绝对优先权。只要PU还在被授权的频段上进行信号传输， SU就不允许接入该频段。并且当SU利用某频段进行信号传递时，一旦 PU访问该频段时，SU就必须立刻退出该频段。这种方式中，SU通过机 会的检测频谱空穴进行频谱接入，可以有效的控制SU对PU的干扰。下 图为interweave频谱共享的示意图。
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PU B1 B2 B3
B6 B7
SU 频谱带
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overlay 模型旨在保护PU的传输性能，即在保证PU能正常进行信号传输的 情况下，SU可以利用该授权频段进行自身的信号传输，并不限制SU的发射功 率。通过协商合作，当SU和PU达成一致的协议后，SU可以充分意识到自己 在团队中的的作用，并履行其应该担当的义务。因此在这种PU和SU合作的背 景下，次级的传输机会就不是随机的了。在这种模式中SU通过向PU提供某些 特殊的服务来交换传输自己信号的机会。形式有租用主用户不经常使用的频 谱段或者是中继主用户的通信等等。下图为overlay模式示意图。
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我们可以看出频域上的一些频段几乎没有被使用或者很少使用，但是有 一些频段却一直被高频率占用。固定的频谱分配方式很大程度上限制的频谱 的使用，为了提高频谱资源的利用率，提倡频谱的“二级利用”，作为一种 能感知周围无线环境，自适应调整工作频率、功率和传输方式等工作参数的 无线通信方式—认知无线电的出现，极大地提高了频谱的利用效率，实现了 频谱的多样性。
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四 基本模型
1、图着色模型 认知无线电网络中，主用户的出现和其对信道的释放是随机的,次级用户 周期在性检测到的信道可用情况是不断发生变化的。为了便于分析，我们通 常假设在一次信道分配过程中次级用户检测到的可用信道是不变的，为了避 免干扰，信道的分配需要满足下面的限制条件： a.信道的检测结果是是完全正确的，即当前次级用户检测到的所有可用信 道和主用户未占用的信道是完全匹配的。 b.次级用户可以分配相同的信道，但是要保证它们不在相互的干扰范围内， 并且发送功率不能超过一定的限制。
分出一定数量的空闲信道，并对他们进行优先级判断（可以考虑信道质量， 信道空闲时间等因素），建立系统的预留信道列表，当主用户占用了次级用 户正在使用的信道时，次级用户从预留信道中选择优先级最高的信道进行数 据传输。 （2）即时（reactive）策略：在认知用户需要进行频谱切换的时候，随机感知当 前的可用信道，一旦确认某信道可用，就切换到该信道上，次级用户将在下 一个新的时隙到来时开始数据传输。 拓扑控制的目的是在为次级用户分配信道的同时，考虑整个次级网络的连通 性，确保网络的健壮性。
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在这些限制条件下，次级用户信道的分配发生冲突时，信道分配问题 可转化为图着色问题[11-14]。在认知无线电网络中，设 V 是节点集合，E
是信道分配相互冲突的关联边矩阵，L是信道可用状态矩阵。则认知无线电