认知无线网络z

目录

1 引言 (2)

2 频谱切换的概念 (2)

3 频谱切换对CRN的需求 (3)

3.1 对物理层的需求 (3)

3.2 对MAC层的需求 (3)

4 频谱切换的研究现状及建议 (4)

4.1 频谱切换研究场景 (4)

4.2 频谱切换相关参数 (5)

4.3 频谱切换频率 (5)

4.4 频谱预留对链路保持概率的影响 (5)

4.5 理论分析模型 (5)

5 总结 (6)

认知无线网络中的频谱切换技术

【摘要】针对频谱切换的研究现状，文章介绍了频谱切换的场景、分类以

及对认知无线网络物理层、媒体接入控制层（MAC）的需求，总结了频谱切换技术的最新研究进展，对目前的各种方案进行了比较分析，并提出了未来面临的挑战及研究方向。

【关键词】频谱切换动态频谱管理认知无线电认知无线网络QoS

1 引言

面对频谱资源高度紧缺这一严峻现状，认知无线电技术（CR，Cognitive Radio）能够跟踪频谱变化，并根据无线环境自适应调整其工作参数，有效地提高频谱利用率。而基于CR 构建认知无线网络（CRN，CR Network）是CR迈向实际应用的重要一步。

空闲频谱的空时变化特性以及各种业务的不同QoS要求是CRN目前面临的两个主要问题，而动态频谱管理是解决这些问题最核心的技术。目前关于动态频谱管理的研究主要分为频谱检测、频谱判决、频谱共享和频谱移动性四个方面。

频谱检测进行空闲频谱的实时发掘，频谱判决为认知用户选择合适的空闲频谱提供依据，频谱共享解决多个用户同时接入空闲频谱的问题，而频谱移动性即频谱切换则可使用户通过更新工作频谱保持与CRN的持续良好连接。频谱检测、判决和共享为认知用户高效使用空闲频谱提供了必要的基础，这三方面的研究工作开展较早。而为了满足用户无缝、泛在通信的需求并保障各种业务的QoS要求，从本质上实现对频谱的动态管理与使用，频谱切换是尤为重要的一环。目前关于这方面的研究刚刚展开，有许多工作亟待完成。

本文针对频谱切换技术目前的研究现状及重要进展进行了分析和讨论，并对其下一步的研究提出了建议。

2 频谱切换的概念

在CRN中，用户包括授权用户与认知用户：前者享有频谱的优先使用权，后者则动态跟踪前者的频谱占用情况，在其未使用的空闲频谱上通信。当授权用户重新使用频谱时，认知用户需将频谱归还给其使用。为了保证认知用户通信的持续性和业务QoS，它可以在让出频谱的同时平滑转移到其他空闲频段继续通信；另外，当认知用户所占用频谱不能满足其业务需求时，也可以转移到其他更合适的空闲频谱，即为频谱切换。

认知用户的链路保持概率以及切换时延是关系频谱切换的两个最重要的参数。目前关于频谱切换的研究主要考虑以下三种方案：

（1）暂停数据传输并驻留在原有频谱上，待授权用户通信完毕后继续使用该频谱；

（2）建立一个频谱切换候选集列表，当需要进行切换时从列表中选择最合适的频谱；（3）当需要进行切换时，立即进行频谱检测，选择当前最合适的频谱进行切换。

方案（1）操作简单，但浪费了认知用户的传输时间，带来吞吐量的损失；方案（2）可以有效保持通信的连续性，但创建精确的列表需要知晓授权用户的业务模型，实现较复杂；方案（3）中认知用户切换时需要暂停业务发送以进行频谱检测，引起业务中断。对于这三种方案的选择，需要考虑实际需求以及网络负载等因素。

3 频谱切换对CRN的需求

3.1 对物理层的需求

认知用户需要对宽带频谱进行检测，良好的频谱检测算法可以有效提高频谱切换的准确性并降低切换时延。频谱切换要求检测算法运行时间要尽量短，检测精度要尽可能高。这两个要求一般很难同时满足，在设计算法时需要折中考虑。同时，协作的频谱检测算法需要协作的物理层传输支持。

频谱划分粒度是另一个需要考虑的因素。频谱切换需要考虑不同系统带宽，以实现频谱的充分灵活使用。OFDM是一种实现频谱共享的支撑技术，它可以通过调整子载波数目和间隔灵活调整频谱粒度。同时，子载波带宽和符号间隔需要同共享频谱带宽和共享时间相匹配。

此外，应采用先进的功率控制和链路自适应技术。良好的链路控制技术可以有效减少由于信道质量变差而引起的频谱切换，调整并有效保证频谱切换前后业务的QoS。

3.2 对MAC层的需求

良好的MAC层设计是有效进行频谱切换的基础，为各认知用户分配调度合适的无线频谱，是保证切换成功率、切换前后业务QoS的重要因素。

集中式MAC由一个中心实体去控制频谱的分配和接入过程，分布式MAC中频谱的分配和接入是由分布式的节点基于局部（或全局）的分配策略来完成的。分布式方案虽然增加了节点间交换信息的开销，但是降低了实施复杂度，而性能与集中式方案相近。因此目前研究重点是分布式MAC协议设计。

频谱切换需要MAC层对频谱切换前后的无线资源进行调度分配，要求MAC层协议具有重配置功能，能够根据切换后工作频率、带宽、信道质量、业务QoS要求等因素进行协议参数调整。

4 频谱切换的研究现状及建议

4.1 频谱切换研究场景

（1）相邻频段切换

相邻频段频谱切换是指认知用户切换前后的工作频率变化不大（几兆赫兹至几十兆赫兹），切换前后信号的空间传播特性没有明显变化。目前大部分的频谱切换方案没有考虑切换前后信号传播特性的变化对切换的影响，可以认为是相邻频段频谱切换解决方案。（2）高低频段切换

高低频段切换是指切换前后认知用户的工作频率变化较大（几百兆赫兹）。由于高低频传播特性的差异，可能会导致切换后的QoS难以保障。为了避免可能带来的性能损失，通过计算不同频率的覆盖半径，在小区边缘同时考虑频谱切换与小区间切换，在实现无缝覆盖的同时减少用户溢出和切换次数。

涉及到高低频切换时，需要考虑的因素应当不仅仅限于路径损耗，还应综合考虑处于移动性环境时高低频不同多普勒频移的影响，进一步研究高低频的不同传播特性，充分利用频谱资源。

图2 高低频段覆盖情况