认知无线电
摘要
摘要
认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。随着无线通信技术的发展，一个日益严峻的问题摆在了我们的面前，那就是频谱资源日趋缺乏。但是另一方面，无线频谱资源在空间和时间上存在着不同程度的闲置，于是人们提出了认知无线电技术。认知无线电网络中的用户能感知周围的无线环境，并能择机进入频谱，从而提高了频谱利用率和实现了频谱的灵活分配。
本文主要对认知无线电的动态频谱分配算法进行了研究。频谱的灵活应用要求认知无线电系统能够动态地分配频谱资源，包括要为主用户的出现实现退避和切换功能，因此，频谱分配是能否充分高效利用空闲频谱的关键技术。
本文首先对认知无线电作了简要的介绍，阐述了认知无线电的概念、功能以及发展状况等。然后介绍了认知无线电关键技术及频谱分配方法，并分析了现有算法的优缺点。
关键词：认知无线电，频谱分配，图论着色，用户需求，公平。
Abstract
Cognitive radio (Cognitive Radio, CR) and foundation of the concept originated in 1999 Dr Joseph Mitola, its core idea is CR with learning ability, can with the surrounding environment, mutual information, to perceive and utilize the available spectrum in the space, and limit and reduce conflicts occur. With the rapidly development of wireless mobile communication technology, anincreasingly severe problem of scarceness of wireless spectrum placed in front of us. But on the other hand, there are different levels of idle in Space and time. Therefore people proposed cognitive radio technology. Users in Cognitive radio networks can sense the wireless environment, and accesses the spectrum opportunistically, so the technology can improve spectrum efficiency and use spectrum in flexibility.
This paper mainly researches dynamic spectrum allocation algorithm in cognitive radio network. The flexible application of spectrum expects the cognitive radio system dynamically allocate the spectrum resource, at the same time, to help retreat and switch when primary users to present themselves. Therefore, the spectrum allocation becomes the key technology to use idle spectrum efficiently.
This paper first introduces cognitive radio briefly, including the concept, function and development, and then introduces the existing model of the spectrum allocation and the spectrum allocation algorithm based on graph coloring theory. After that, this paper analyzes the advantages and disadvantages of existing algorithms.
Keyword:cognitive radio, spectrum allocation, graph coloring, user demand, fairness
1绪论
随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。
现在的频谱管理策略是基十静态控制的模型，频谱是固定授权分配的，因此导致了较低的频谱利用率。而认知无线电技术使得次用户对频谱的二次使用成为可能，极大地提高了频谱利用率，被认为是解决频谱缺乏问题的方案之一。本章将对认知无线电技术做一个简单的介绍。
1.1认知无线电的概念与特征
自1999年“软件无线电之父”Joseph MitolaⅢ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR 的定义，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”
无线频谱资源在传统的无线通信系统中是固定授权分配的，这样的分配方式有利于保证系统的服务质量(QoS,Quality of Service)，但是也这样的分配方式也导致了频谱利用率的低下[1][2]。FCC(Federal Communications Commissions，美国联邦通信委员会)的一份调查报告表明,分配给授权用户的频段其使用率在不同时间不同地区的波动很大,从15%-85%不等。而认知无线电的正是为了解决这个问题而提出的。
认知无线电的概念是Joseph MitolaⅢ博士于1999年在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的[3]，强调软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）是实现CR的理想平台，是对软件无线电的进一步的扩展。Joseph MitolaⅢ博士于2000年在他的博士论文给出了他对认知无线电的定义。他认为：
“认知无线电这个术语是指这么一个观点，即在无线资源和相关的计算机与计算机之间通信方面，无线个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)和相关的网络具有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用环境的函数以及提供最符合这些需求的无线资源和服务。于是，认知无线电设备能够为无线传输自动选择最好和最便宜的服务，甚至能够根据目前或即将可用的资源，延迟或提前某次传输。”
总得来说，认知无线电就是具有认知和学习能力的无线系统，能实时、动态的检测到无线频谱空洞，并根据一定的策略算法，实时、自适应得改变自身工作参数，对频谱空洞加以有效利用的无线电。
总结上述定义，CR应该具备以下2个主要特征：
(1)认知能力
认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。这一任务通常采用图1所示的认知环进行表示，包括3个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。
图1认知环模型
(2)重构能力
重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程，从而允许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。
重构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被LU使用，CR有2种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对LU的有害干扰。
1.2认知无线电的基本功能及特点
从以上介绍可以看出，认知无线电系统通过实时的感知和学习，不断地自适应地调整其自身内部的通信机理来适应无线通信环境变化，最大程度地提高频谱资源的利用率。由此可以总结出认知无线电具有这样的特点[5]：
(1)对无线通信环境的感知能力；
(2)对环境变化的学习和自适应能力；
(3)系统功能模块的可重配置能力；
(4)通信质量的高可靠性；
(5)对频谱资源的充分利用；
认知无线电要取得成功，SU首先要准确地探测出PU是否正在使用某信道。认知无线电然后会根据感知到来的频谱信息，自适应的调整自身的无线通信功能，即系统功能模块重配置能力。所以这两个功能是认知无线电的两大功能特征。
1.3认知无线电的国内外相关研究
1.3.1 国外的研究现状
(1) 频谱池
德国Karlsruhe大学Fiedrich Jondral教授的研究小组在德国联邦研究和技术部移动通信项目的资助下，基于Joseph Mitola的“频谱池”概念，开发出一个基于OFDM技术的中心控制的频谱池体系架构。频谱池的思想是将一部分分配给不同业务的空闲频谱合并成一个公共的频谱池，整个频谱池又可划分为若干个子信道，感知用户可临时占用频谱池里的空闲信道。基于OFDM的频谱池将频段分成的若干个子载波，用当前、当地可利用的频谱空洞所对应的子载波传输感知用户的数据，而将正在活动的主用户频段所对应的子载波设置为关闭状态。
(2)端到端可重配置（End-to-End Reconfigurability，E2R）[9]
由摩托罗拉、西门子、法国电信和英国的几所大学联合开发的项目端到端可重配置（End-to-End Reconfigurability，E2R）系统。E2R系统可为多种空中接口、协议和应用提供通用的平台和相关的工作环境,通过基于认知算法的可升级和可重配置的架构来优化资源利用;同时可重配置性可以灵活地修改相关设备的软件设置,提高网络和设备的性能。
(3)Next Generation(XG)项目
美国国防高级研究计划署启动了下一代XG（Next Generation）项目，目标是使得美国军用通信设备可以检测环境变化，根据所处环境的频谱管理政策选择频谱。项目包括两个方面：一是开发提供择机频谱接入的技术；二是开发通过灵活的政策应用管理无线行为关键方面的长期管理框架。如何检测并描述无线电环境，辨认可用频谱以及合理分配谱构成了整个XG项目的研究核心。
(4)CORVUS系统[10]
为了能通过协调的方式检测和使用频谱，美国加州大学Berkeley分校的R.W.Brodersen教授的研究组提出来了CORVUS系统。在CORVUS系统中，使用了用户分组的思想，通过组内控制信道协调组内用户的动态频谱使用；通过通用控制信道协调组间的动态频谱分配；提出了如何在动态频谱接入下的可靠链路维护协议。目前，该系统正开发测试床评估物理和介质访问控制层的性能。
1.3.2国内研究现状
在国内，虽然关于认知无线电的研究起步较晚，但是这几年针对认知无线电技术的研究项目也有很多。国家高技术研究发展计划（863计划)于2005年7月设立课题研究认知无线电技术，国内众多高校参与了该课题的研究，特别是对认知无线电物理层和MAC层关键技术、协议体系结构、应用场景分析等方面做了许多深入的研究。另外，华为术有限公司和电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室、香港科技大学合作，进行了利用空闲电视频段提供宽带无线接入的IEEE 802.22标准的制定，并向IEEE 802.22提交了多项提案。
2认知无线电的关键技术
认知无线电的网络结构有集中式、分布式和“集中+分布式”3种类型,它通过频谱自适应技术来实现动态频谱分配根据认知无线电系统必须具备的基本功能,如何实现这些功能也就成为认知无线电的关键技术。
2.1 频谱检测技术
目前,对频谱检测技术的研究主要包含两方面:一是单点频谱检测技术,根据单个认知无线电节点接收的信号,检测其所处无线环境的频率占用情况;二是多点协同频谱检测技术,即把多个节点的频谱检测结果进行合并,以提高检测正确率,并降低单节点的性能要求。
2.2自适应频谱资源分配技术
为了解决目前频谱资源日益紧张和固定分配频谱利用率较低的矛盾,就要找到更有效的方法来充分感知和利用无线频谱资源。基本途径有两条:其一,提高频谱利用率,充分利用已授权用户的频谱资源,减少浪费;其二,提高系统通信效率,综合优化分配已获得的频率资源和其它资源,进而提高利用率。
正交频分复用(OFDM)技术是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式。该方式通过频率的组合或裁减实现频谱资源的充分利用,可以灵活控制和分配频谱、时间、功率、空间等资源。自适应频谱资源分配的关键技术主要有载波分配技术和子载波分配技术。
2.3动态频谱管理技术
动态频谱管理(DSM)又称为动态频谱分配,主要在发射端执行。简单来说,频谱管理的主要目的是通过一个自适应策略有效地(高效率以及可实施)利用RF频谱。特别地,频谱管理算法设计要求以无线场景分析者对频谱空穴的侦察以及发射功率控制者的输出为基础,选择适应无线环境时间变化特征的调制模式。
利用动态频谱管理可以提高无线通信的灵活性、信道使用能量,可使主要用户和次要用户之间避免冲突并公平共享频谱。
DSM包括可用频谱的辨认与描述、频谱可用性的持续时间以及频谱分配(监督),其中频谱分配(监督)是指根据需要接入到频谱的节点数目及其服务要求将频
谱分配给一个或多个指定节点。DSM必须考虑目标节点可能的接收能力并提供源节点到目标节点的调整。
2.4位置感知技术
不同的地理环境对无线电信号的传输会产生不同的影响。比如,室内与室外、市区与乡村、山区与平原相比,后者就更适合无线电信号的传输。CR与全球定位系统(GPS)以及地理信息系统(GeographyInformationSystem,GIS)结合,通过自我学习的方法,能够识别出自身所处的地理位置,进而能根据地理环境选择合适的发送频率、调制方式等参数。比如,在市区内,由于电磁环境复杂,多径衰落较大,可以采用抗多径衰落较好的OFDM调制;在乡村,由于电磁环境优良,可以采用较大的功率,传输更远的距离。因此,位置感知技术值得关注。
2.5链路保持技术
一旦授权用户要再次通信,CR必须要在最短的时间内腾出正在使用的频率,并且还要保证自己的通信不被中断,这就是所谓的CR链路保持技术。有研究人员指出,可以采用LT(LubyTransform)编码技术来实现链路保持。通过增加链路的冗余,进而达到数据的冗余。在不同的电磁环境下,链路的最佳冗余数是不同的,但并非冗余越多链路可靠性就越高。
2.6物理层安全技术
从体系结构来看,认知无线电是软件无线电的扩展,是一个信号带宽较宽、A/D/A采样率和精度要求高、运算速度快、系统安全要求高的软件化实时性系统。认知无线电系统以机会方式接入主用户频段,易对主用户产生干扰,所以频谱感知必须具有很强的弱信号检测能力,用来检测主用户信号,以便切换信道,避免干扰。而这同时使得认知无线电较其它无线电系统更易受到干扰和攻击,即所谓的“模仿主用户攻击”(PrimaryUserEmulation,PUE),在系统设计时必须予以重视。
众所周知,跳频通信系统具有较强的抗干扰和抗衰落能力,是解决无线通信窄带干扰问题的重要手段。而且,由于跳频频率合成器容易在一定的频率范围内进行跳频,因此跳频频率可以占用不同的频段而不要求频率是相联的,故跳频系统容许更高的扩频频段,并且可以很好地与认知无线电体系相融合。所以,在认知无线电体系中引入跳频通信机制,可以很好地解决窄带的PUE攻击。跳频技术的引入从物理层为认知无线电系统提供了一定的安全保证。
2.7其它关键技术
除上述技术外,关于认知无线电系统的安全、可靠链路的维护以及定价策略、
机器学习技术、功率控制技术、数字波束形成(DBF)技术、自适应调制解调技术、
软件无线电升级技术、信道估计技术、数字信号处理等也是需要深入研究的关键
技术鉴于这些技术属于共性技术,同时也是研究热点,本文在此不再赘述。
3认知无线电基于图论着色的频谱分配算法
在传统的移动蜂窝通信，基于图论着色理论的频谱分配算法就已经用于小区
的规划和信道的指配，是一种相对成熟的频谱分配模型。本章首先分析了基于图
论着色的频谱分配算法的数学模型，给出了可用频谱矩阵、效益矩阵、干扰矩阵、
分配矩阵等矩阵的定义，并分析了无干扰频谱分配的约束条件。
然后分析了列表着色(list coloring)算法、局部议价算法和颜色敏感的图论着色
(ColorSensitive Graph Coloring ，CSGC)算法，以及在这些经典算法基础上进
行改进的其他部分算法，对这些算法的算法流程进行了详细描述。最后，总结和
分析了这些算法的优缺点。
3.1基于图论着色的频谱分配算法的数学模型
基于图论着色理论的频谱分配数学模型一般是由可用频谱矩阵、效益矩阵、
干扰矩阵和分配矩阵。假设分配时间相对于环境变化时间是很短的，各矩阵在每
轮分配中保持不变。各矩阵具体定义如下：
(1)可用频谱矩阵。用{},,{}0,1丨?=∈n m n m N M L l l 来表示可用矩阵。
其中N 为用户标号（下标从0到N —1），M 为频谱标号（下标从0到M —1）。当1，=n m l 是表
示频带m 对于用户n 是可用的，反之，当,0=n m l 表示频带m 对于用户n 是不可
用的。可用频谱矩阵也叫空闲频谱矩阵，它是指某个时间某个空间主用户未使用
的频谱集合。可用频谱分成一系列正交的子频带，频带间无干扰。可用频谱矩阵
一般与授权用户和认知用户的网络拓扑结构有关，也与用户的发射功率有关。
(2)效益矩阵。用{},?=n m N M B b 表示效益矩阵。,n m b 表示用户n 使用信道m 带
来的效益。把可用频谱矩阵L 和效益矩阵B 结合，将得到可用的效益矩阵
{},,?=B n m n m N M L l b 。由于用户所处环境和所采用的调制编码技术不一样，或者发射
功率的不一样，导致了使用同一条频道带来的效益可能不一样。
(3)无干扰分配矩阵。用{}.. 0,1 {}丨?=∈n m n m N M A a a 表示满足无干扰的分配矩
阵。如果.1=n m a 表示信道分配给用户n 。明显地，无干扰分配矩阵必须满足:
,,.0,=n m k m a a 当,,1,,1,1=?≤-≤-n k m c n k N m M （1）
这样认知无线电网络的频谱分配问题就抽象成为一个图(),,=C B G U E L 的着
色问题。其中U 是图G 的顶点集，表示无线电网络中共享频谱的次用户，L B 表
示顶点可选频谱的集合和权重，E C 是边集，由干扰矩阵决定，当且仅当..1=n k m C 时，
两个不同的顶点(用户) ,∈u v U 之间有一条颜色为m(对应频带m)的边。这样，满
足(1)式的无干扰分配的条件可以描述为:当两个不同的顶点存在着m 色边的时候，
两个顶点不能同时着m 色。
3.2基于图论着色模型的现有部分算法
3.2.1列表着色算法
文献在图论着色模型的基础上，在开放式频谱接入的无线网络中提出了列表
着色算法。若用,,{0} {}1丨，?=∈n m n m N M A a a 表示分配矩阵，则该算法就是在无干扰
的限制条件下，得到最大的频段分配数。其目标函数为:
11,00--==∑∑N M i j
i j Max a （3-1）
该算法采用分布式的网络结构，并提出了分布式贪婪算法和分布式公平算法。
下面分别进行介绍。
(1)分布式贪婪算法
分布式贪婪算法的基本思想是:首先引入连接数的概念，所谓连接数就是该顶
点的邻居数，该顶点对别的顶点产生干扰的顶点个数。那么在频谱分配的时候，
首先查询各个顶点的连接数，优先把频谱分配给连接数最小的顶点，如果顶点的
连接数一样，则分配给已获得频谱数最少的顶点，如果已获得频谱数也一样，则
随机分配。分配后，进行网络拓扑更新，包括顶点列表更新和可用颜色列表更新，
如果图为空，即所有用户无可用颜色时候，退出分配，否则，继续分配。
(2)分布式公平算法
该算法主要由以下步骤组成:
首先，建立一个非循环有向图。把与某节点关联的可用频谱数称为“频谱段数”，
而该节点的邻居个数称为“连接度数”，与上面的连接数的定义一样。这样，不同
节点的“频谱段数”和“连接度数”可能不一样。设立有向图的规则是这样的:若频谱
段数不一样，则由“频谱段数”高的指向频谱段数低的;若“频谱段数”一样，则由“连
接度数”高的指向“连接度数”低的;若“连接度数也一样，则随机指向。建立好一个无循环的有向图后，图中无入边的节
点称为“源节点”，无出边的节点称为sink节点。有向图中可以不止一个源节点和sink节点。然后选择一个sink节点进行频谱分配，原则是一次只分配一个频谱，并且是选取所有邻接节点的关联频段列表中出现次数最少的频谱来进行分配。对sink节点分配完频谱后，该sink节点暂时退出分配，然后发出一个set-color
的标志给邻接节点。若一个节点收到它的所有邻接节点的set-color标志，则它将没有出边，成为一个新的sink节点。然后重复查找sink节点进行频谱分配，直到图中没有sink节点为止。
最后，若图中的所有节点都没有可用频谱，则分配结束。若图中虽然没有了sink节点,但是还有可用频谱，则重新建立一个新的非循环有向图，而没有可用频谱的节点停止操作。然后再新的有向图中，重复上述操作，知道最后所有节点均无可用频谱时，算法结束。
3.2.2敏感的图论着色（CSGC）算法
Haitao Zheng和Chunyi Peng等人提出的敏感的l纠论着色(CSGC)算法，其主要出发点是考虑频谱质量的差异性，还有认知用户采用的调制编码技术的差异性，这样导致了不同的认知用户使用不同的信道得到的收益不一样，所以CSGC算法引入一个效益矩阵来表征这样的差异。另外该算法还考虑了干扰频谱的差异性，干扰与频率本身无关，而与用户间的距离和发射功率有关。实际上，干扰矩阵表征的时候两个用户同时使用一个频谱是否会产生干扰的问题，所以，一个频谱对应一个干扰矩阵。当然也可以用一个二维矩阵代表所有用户在各个频谱上的干扰关系。
CSGC频谱分配算法是一种基于标签机制的启发式的集中式的分配算法，它按照某个分配准则对频段进行标签，选择最大的标签值的频段来分配给用户使用。该算法可获得一个近似的最优解，它能够明显的减少干扰，提高网络的吞吐量。
1目标函数
频谱分配问题实际上就是在一个假设的而又接近实际的虚拟环境中，来进行分配的一个最优化问题。若用用B={b n.m}NxM表示效益矩阵，用A={a n.m丨a n.m∈{0,1}}NxM表示满足无干扰的分配矩阵，频谱分配的最优化效益函数的表述如下:
(1)最大化带宽总和(Max-Sum-Bandwidth,MSB):目标是最大化系统总的频谱利用率，表达式为:
11.,,00--∈∧==?∑∑N M n m n m A N M n m Max a b （3-2）
上式的含义是其频谱分配为系统带来最大的带宽总和。^I,J 表示所有满足条件
的无干扰分配矩阵A 的集合。
(2)最大化最小带宽(Max-Min-Bandwidth,MMB:其目标是最大化受限用户
(bottleneckuser)的频谱利用，其表达式为:
1.,,0-∈∧<=?∑M n m n m
A N M n N m Max Min a b （3-3）
上式的含义是最大化受限用户获得的带宽。
(3)该算法为了衡量不同算法的公平性，还引入了有关信道分配公平性的准则，
即最大比例公平性度量(Max-Proportional-Fair, MPF)，其表达式为:
1110
.,,00log --∈∧==?∑∑N M n m n m A N M n m Max a b （3-4）
2 CSGC 算法流程
CSGC 算法根据实现不同的系统目标，如带宽的最大利用或者最大比例公平
性等，分配时系统选取的是对目标贡献最大的节点，并对该节点分配相应的颜色。
具体分配时候，CSGC 算法为每个节点标上label ，通过计算得出每个节点的
标签值。算法每次迭代的时候会选取拥有最高标签值的节点，把对应的颜色分配
给该节点。然后进行拓扑更新，删除已分配颜色的节点和这个节点相干扰的邻居
节点的可用颜色列表的已经分配的这个颜色，并删除这些节点间以该颜色相连的
边，若某个节点的可用颜色列表为空，则将该节点从图中删除。这样算法对整个
系统的各种信息进行快速动态地更新，然后通过多次迭代完成对颜色(频谱)的分
配。
3.2.3分布式局部议价频谱分配算法
CSGC 算法的数学模型是在假设网络的拓扑结构不变的基础上建立的，但是
认知无线电网络的拓扑结构是无时无刻都在变化的。这样，如果要达到CSGC 算
法的全局最优分配效果的话，系统每次都需要完全重新计算拓扑改变后的分配方
案，因此算法的计算开销庞大。
分布式局部议价频谱分配算法就是为了解决这个问题而提出来的，它的解决
办法是在新的频谱分配过程中考虑先前的频谱分配信息。根据上一次分配的。分
配结果，通过有限数量的计算适应拓扑的改变，做出有效的分配决策
3.2.4基于图论的部分频谱分配算法
1 分组频谱分配算法
文献[11]提出了分组频谱分配算法，分组频谱分配算法也是在CSGC算法的基础上发展起来的，其核心思想就是在频谱分配前事先实行分组，一个是以用户为基准，对频谱进行分组，可记为用户分组(User-Grouping)算法;另一个则是以频谱为基准，对用户进行分组，可记为频带分组(Frequency-Grouping)算法。
(1) 用户分组(User-Grouping)算法。把同一个用户的所有可用频谱分成一个小组，这样，若有I个用户，则有I个小组。由十同一个频谱可以被不同的用户使用，这样不同的小组的交集不一定为空集。划分完分分组后，算法的下一步执行与CSGC算法相似。即每个小组根据某个频谱分配准则进行标号计算，各小组选择能为所在组的用户带来最大效益的频段，将该频段分配给所在组的用户，之后更新小组信息，再次选择频段继续分配。分配时
各小组需交换信息，因为不同小组选择的最大收益频段可能是一样的频段，而这两个用户可能是不能同时使用该频段的，即可能存在冲突问题，则系统从产生冲突的几个小组(用户)中选取把频谱分配给该小组(用户)能带来比别的小组(用户)更大的收益，如果存在几个小组的收益一样，则随机分配一个小组，未被选中的其他小组本次循环将不分配任何频段。
(2) 频带分组(Frequency-Grouping)算法。该算法的分组是基十可用频谱来划分用户，即把使用同一频段的所有用户划分为一组，若有J个频段，就有J个分组。同样的，同一个用户可以有不同的可用频谱，所以不同的小组里可能会有相同的用户。划分好小组后，各小组算法的下一步执行与CSGC算法相同，先给每个用户进行标号和计算标签值，然后每个小组同时选择能给本小组带来最大收益的用户，并把频谱分配给该用户。然后拓扑更新，进入下一轮分配。经过反复迭代后，直到所有小组都没有未分配的用户了，算法结束。
由于频带分组算法基十频带正交假设的，对某个频带的使用不会对其他频带造成干扰，即对某个子图(分组)的颜色分配不会影响到其他子图的颜色分配，这与用户分组算法中不同的分组中同时把同一个频段分配给多个用户的可能会产生干扰冲突问题不一样。所以在频带分组算法中，用户之间不需要交换信息，不同的小组间的分配是相互独立的。与CSGC算法相比，分组算法分配前首先进行小组划分，频谱分配时可以在不同的分组中同时进行，大大降低了循环的次数，最后降低了算法的开销时间。特别是频带分组算法，分组间的分配是相互独立的、无干扰的，使得该算法在降低算法的时间开销方面比用户分组算法更出色。文献[12] [13]提出的并行分配算法和频带分组算法本质上是一样。
2标签着色-删除算法
文献[14]在CSGC 算法的基础上提出了标签着色一删除算法。标签着色-删除算法考虑到现今的用户终端多是一个频率的通讯接口，无法充分享用多个频率信道的好处，而该算法把用户终端的覆盖面积作为效益，这样一个终端分配到多个信道，从覆盖区域看是重复。所以该算法重新定义了目标函数为:
1
.,0,1,2,3......,10max()-=-=?∑N n m n m m M n a b
把这个目标函数和CSGC 算法中的最大化带宽准则的目标函数3-2对比，若采用3-2式作为目标函数，会驱使某个强势用户分配到多个信道，而采用上式作为目标函数的话，系统只会给每一个用户分配一个信道，已分配的信道的用户不参与下次分配，这样可以把多出来的接入机会让给未分配到信道的用户，特别是在空闲频谱稀少，次用户竞争频谱激烈的环境下，能有效减少贫困用户的可能性，体现了公平性，同时满足了覆盖范围增大的目标。
结论
当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如：德国Karlsruhe 大学的F. K. Jondral 教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley 分校的R. W. Brodersen 教授的研究组开发的COVUS 系统、美国Georgia 理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Akyildiz 教授等人提出OCRA 项目、美国军方DARPA 的XG 项目、欧盟的E2R 项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。IEEE 为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom 和IEEE DySPAN 交流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的工作，该工作组正在制定利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE 技术标准化活动。
结合上述认知无线电技术的现状，预计认知无线电未来会沿着以下几个方面发展：
基本理论和相关应用的研究，为大规模应用奠定坚实的基础。比较重要的包括：认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术，例如：频谱资源的管理、跨层联合优化等等。
试验验证系统开发。目前，已经有多个试验验证系统正在开发中，这些系统的开发成功，将为验证认知无线电的基本理论、关键技术提供测试床，推动其大规模应用。
与现有系统的融合。虽然目前认为认知无线电的应用应该不要求授权用户作
任何改变，但如果授权用户和认知无线电用户协同工作，将会便于实现并提高效率。目前，已经有一些研究工作在考虑将认知无线电集成到现有无线通信系统的方法，并取得了一些初步成果。预计未来这方面将会有大量的需求。
认知无线电的提出，为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾开辟了一条行之有效的解决途径，是未来无线通信产业的发展方向，正逐渐通过标准化进入产业领域。然而，认知无线电技术从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术需要突破，这也使其成为了近年来无线通信研究的热点。
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认知无线电的发展历程与现状
认知无线电的发展历程与现状 认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互 信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知(Spectrum Sensing )和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA dynamic spectrum allocation )和频谱共享(Spectrum Shari ng )。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Sha nnon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz 左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1. 认知无线电的发展历程
认知无线电技术
现代通信系统 论文 题目：认知无线电技术 姓名：朱雪峰 学院：潇湘学院 专业：通信工程 班级： 001 学号： 1254040121 指导教师：钟斌 2015年11月1日
目录 一、引言 (2) 二、认知无线电的基本概念 (2) 三、认知无线电的功能与实现 (4) 1.认知无线电的主要功能 (4) 2.认知无线电的实现关键 (5) 四、认知无线电的标准化 (7) 五、认知无线电的管制与应用情况 (8) 六、未来发展与展望 (9)
认知无线电技术的研究及发展 【摘要】认知无线电技术作为软件无线电技术的一个特殊扩展，受到日益广泛的关注。由于该技术能够自动检测无线电环境，调整传输参数，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，可以大幅度提高频谱利用效率。本文首先从认知无线电技术的定义入手，分别讨论了认知无线电的基本概念、功能与实现、标准化的进程。然后介绍了当前应用状况，最后分析了未来的发展及面临的挑战。 一、引言 随着无线通信技术的发展，人们可以获得的带宽不断地增加，移动通信的数据速率从10 kbit/s增长到2 Mbit/s，在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒。但即使如此，也无法满足人们日益增长的无线接入需求。为了缓解这一矛盾，一方面，人们不断开发新的无线接入技术，利用新的频段来提供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率。但由于移动终端天线尺寸和功率的限制，可以用于无线接入的频段很有限。在提高频谱效率方面，目前较为先进的CDMA空中接口技术，如HSDPA可以达到1 bit/（s·Hz）的频谱效率，将来OFDM和MIMO技术的应用也只能达到3-4 bit/（s·Hz）的频谱效率。3-4倍的频谱效率的提高对于人们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。认知无线电技术的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 二、认知无线电的基本概念 认知无线电（cognitive radio，CR）的概念是由Joseph Mitola博士提出的，他在1999年发表的一篇学术论文[1]中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表示语言（RKRL）”的新语言提高个人无线业务的灵活性。随后在2000年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中详细探讨了这一理论[2]。 认知无线电也被称为智能无线电。从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输。甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。 由定义可以看出。认知无线电的一个最大优势就是无线用户可以通过该技术实现“频谱共享”。目前大多数频谱已经被划分给不同的许可持有者（又称为首要用户），包括移动通信、应急通信、广播电视等。但是随着用户需求的增长，简单地通过开发新的无线接入技术和使用新的频点已经无法充分满足市场需求。 近年来，很多学者通过监测分析当前无线频谱使用状况发现，虽然大部分频谱已经被分配给不同的用户，但是在相同时间、相同地点频谱的使用却非常有限。常常是大部分频点未被使用，而某些热点频率又处于超负荷运行。美国联邦通信管理委员会（FCC）充分注意到了这一点，于2002年11月出版了频谱政策任务组撰写的一份报告[3]，该报告指出，当前分配的绝大多数频谱的利用率为15%-85%。因此FCC认为当前存在的最主要问题并不是没有频谱可用，而是现有的频谱分配方式导致资源没有被充分利用。只有彻底改变当前固定频谱分配政策，部分甚至全部采用动态频谱分配政策，使多种技术可以实现“频谱共享”，才能
认知无线电验证平台场景设计
认知无线电 验证平台场景设计 2008-11-14 赵琳陈翼翼
目录 一、系统结构图 (3) 二、系统基本背景介绍 (3) 三、缩略语说明 (4) 四、场景案例设计 (4) 1.CR001：全频段内不存在PU时，SU接入核心网 (4) 2.CR002：全频段内不存在PU时，SU间进行网内通信 (5) 3.CR003：仅某几个子信道存在PU时，SU接入核心网 (5) 4.CR004：仅某几个子信道存在PU时，SU间进行网内通信 (6) 5.CR005：全频段内存在PU时，SU不能进行通信 (7) 6.CR006：全频段内不存在PU时，某SU伪装成PU占用某几个子信 道 (7) 7.CR007：全频段内不存在PU时，某SU伪装成PU占用全频段 (8) 8.CR008：仅某几个子信道存在PU时，系统未检出，但SUBS执行 的信道分配策略不会对通信造成干扰 (9) 9.CR009：仅某几个子信道存在PU时，系统未检出，且SUBS执行 的信道分配策略会对通信造成干扰 (10) 10.CR010：SU占用某几个信道时，PU强行接入 (11) 11.CR011：SU占用某几个信道时，PU退避接入 (11) 12.CR012：比较不同检测方法 (12) 13.CR013：比较不同合并算法 (13) 五、附录 (14) 1.利用峰均功率比的增强型能量检测法 (14) 2.合并算法介绍 (15) 2.1结果合并模型的背景介绍 (15) 2.2不同的结果合并模型 (15) 2.3模型比较及优缺点分析 (17)
一、系统结构图 图1 系统结构图 二、系统基本背景介绍 1.该系统内存在2个主要用户（PU）。PU编号为PU0~PU1。 2.该系统内存在1个次级用户基站（SUBS），3个次级用户（SU）。SU编号 为SU0~SU2，都具有感知功能，并且均可采用不同的频谱检测方法进行检测。 3.在广播电视频段54~862MHz上选取20MHz。设定该系统工作在这20MHz 的频段内。将整个频段划分为40个500KHz的子信道（SCH），编号为0~39。 4.采用集中式的结构，1个SUBS管理所有的SU。SUBS具有绝对管理权，即 SUBS控制SU的频谱检测、接入空闲频段等一切操作。 5.SUBS维持一个子信道可用性分类的可见表格。这个功能表中，将子信道按 可用状态分类，比如被占用（如正在传输PU信号）、可用（可被SU用户占用）、禁止使用（不能被使用）等。 6.BS接入核心网（CN）。SU可以通过SUBS接入CN进行网间通信。网间通 信包括语音、图像、视频等业务。 7.SU之间可以通过SUBS的中转实现网内通信，但SU之间不能直接进行通信。 网内通信包括语音、图像、视频等业务。 8.存在一个静默期，划分为检测期和上报期。在检测期内，SUBS控制SU进行 频谱检测；在上报期内，SU向SUBS上报检测结果。[猜想] 9.基本场景中，SU采用能量检测法进行频谱检测。SUBS采用K秩准则进行结 果合并。有关不同检测算法、合并算法的比较均在扩展场景中进行。
认知无线电的发展历程与现状
认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。 关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Shannon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1.认知无线电的发展历程 认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在1999年提出的，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并在论文中描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2004年Rieser支出认知无线电不一定必须有SDR的支撑，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适用于可快速部署的灾难通信系统。该认知模型可对无线电系统的物理层和MAC层烦人演进建模，主要由三部分组成，包括用于监听无线环境，进行信道建模的无线信道遗传算法（WCGA）、演进并自适应无线环境的无线通信遗传算法（WSGA）和根据无线电信道模型和无线电参数，监视并改变系统的状态，以决定如何适应无线电的认知监视系统（CSM）。 2003年5月，FCC召开了无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。并且对从频谱管理的角度出发对认知无线网进行了官方定义，认为认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射参数的无线电设备。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现“开放
认知无线电之频谱共享技术
软件无线电课程论文 论文题目：认知无线电之频谱共享技术 姓名： 学号： 班级： 目录 目录 2 摘要 3 1 引言 3 2 研究现状 3 3 基本原理和算法 3 4 分布式动态频谱共享系统系统模型 3 5 个人理解和体会 3 6 参考文献 3 摘要 当前,无线频谱资源的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电(Cognitive Radio,CR)作为一种新兴的技术,它改变了传统的由政府授权使用无线电频谱的方式,它以频谱利用的高效性为目标,允许非授权用户机会式利用授权用户的频谱空洞传输,被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的一种新方法。基于认知无线电技术进行频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.本文将从研究现状、原理等简单介绍认知无线电中的频谱共享技术。 关键字：认知无线电频谱共享技术频谱利用频谱分配 1 引言 基于认知无线电技术进行动态频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.动态频谱共享本质上是一种多目标优化问题,由于所有参与者(包括主用户和认知用户) 具有不同的目标和利益,彼此之间的决
策行为相互影响,并存在竞争和协作关系. 如何设计频谱的使用规则和相关接入机制,协调所有参与者的行为实现有效的频谱共享,满足各自不同的利益需求就成为关键问题. 目前,利用博弈论的方法分析动态频谱分配策略研究逐渐被研究者关注. 目前普遍采用的非合作博弈模型中,理性的博弈者总是追求自身利益最大化,从而导致博弈的纳什均衡偏离全局最优状态. 解决这一问题的一种有效方法用户效用函数的设计中,除了包括用户自身的收益之外,还将自身行为对其他用户造成的影响考虑在内. 每个用户在追求自身效用最大化的同时兼顾了其他人的利益,其结果使得非合作博弈的均衡状态收敛于系统的最优状态. 2 研究现状 认知无线电的频谱共享技术在提高频谱利用率方面的价值引起了各国电信管制机构的兴趣，不过由于认知无线电的技术和概念都非常超前，多数国家仍在研究讨论当中，只有美国的FCC已经正式批准具备认知无线电性能的设备进入市场。 近年来美国希望大力发展宽带无线接入业务，但由于频谱资源匮乏，亟需寻找新的频段给新的接入技术。美国是最早推动和批准使用认知无线电设备的国家。FCC从2003年就开始尝试引入认知无线电提高频谱的利用。2003年12月，FCC公布了《使用认知无线电技术促进频谱利用的通知》，就《FCC规则第15章（FCC rule part 15）》（用于数字式设备和低功发射机的法规）进行了修订，并于2005年10月，正式批准了关于引入认知无线电技术、使用认知无线电设备的法规。 FCC认为目前最适合应用认知无线电技术的是UHF中分配给电视广播业务的6 MHz频段，因为目前该频段在美国利用率很低，通过允许其它免许可设备使用这个频段，不仅可以提高频率利用率，而且还可以推广宽带无线接入业务，因为这个波段传播距离远，适合为偏远地区提供服务，可以促进美国社会的宽带普及。FCC认为认知无线电技术还可以在高频率频段发挥作用，如100 GHz以上的频段在美国的使用率只有5%-10%。 认知无线电的频谱共享技术听起来是个十分新颖的概念，但事实上无线局域网（WLAN）领域已经开始利用认知无线电技术的频谱共享技术。 WLAN是最早利用认知无线电频谱共享技术的无线通信系统。FCC等法规机构要求802.11a无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰，这种躲避雷达的能力要求系统具有强大的CR类自适应能力，而这只是WLAN-CR功能的开始。 无论在军用还是民用领域，认知无线电的研究与应用都处于起步阶段。在军用领域，美国国防部高等研究计划署（DARPA）于2003年成立了下一代通信计划（XG），着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准。2003年开始，Raytheon公司与DARPA签订了下一代无线通信计划的合同。从事认知无线电相关的技术研究与开发。在民用领域，Motorola、Intel等公司也已经成立认知无线电研究组并开始开展相关的研究。 3 基本原理和算法 3.1频谱共享技术概述 采用高效频谱利用技术，首先需要重新认识频谱，频谱不是具体和有限的资源，它是抽象和无限的资源，对其利用率高低取决于所采用的技术。其次，需要详细探讨能充分利用频谱的高效频谱利用技术。近年来随着智能天线、高性能数字处理器，新型扩频码、多址接入技术，软件无线电、智能无线电、感知无线电，动态频谱分配和共享等新技术的迅猛发展，为频谱高效利用提供了可能。 在这些改善频谱利用的新技术中，多无线电系统动态频谱分配与共享技术能显著提高整体频谱利用率，从长远看是提高频谱利用率的根本方法。但动态频谱分配需要改变现有频谱分配总体结构，对频谱管理、网络结构、通信终端等方面改变较大，近期看，实现难度较大。而频谱共享技术在不改变现有频谱分配总体结构下，通过不同无线电系统频谱共享来提高频
认知无线电技术
认知无线电技术 相信童鞋们都对大名鼎鼎的认知无线电技术有所耳闻，那到底是个什么东东呢？下面射频君就来给大家普及一下认知无线电的基本知识。随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据伟大的香农同志所提出的信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。问题出现了，解决发法捏？因此，伟大的科学家筒子们提出了采用认知无线电(CR，全称Cognitive Radio)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。认知无线电是一种智能频谱共享技术，通过智能学习以及对频谱环境的感知对传输参数进行实时的调整，能够对频谱的利用率进行显著的提升。 “无线电之父”Mitola的概念模型包括硬件和软件。其软件部分由基础软件和智能软件构成。硬件部分重点使用软件无线电的基本体系结构，由安全模块、调制解调器、天线、射频、基带信号处理和用户接口部分构成。调制解调器可以解决收发信号的调制解调以及均衡信号的问题；天线是为了接收并发射无线电信号；射频前端由无线电信号的放大以及其必要变换构成；基带处理模块能够解决网络中的各种协议与控制问题，兼容不同的网络；用户接口部分可以根据RKRL语言满足不同的接口服务，同时使用关于用户需要的支持自动推理的方
法，实现个人通信服务。 1. 频率侦听 认知无线电技术在应用中，能够对频谱进行连续的侦听，以此对没有占用的频谱进行及时的发现，在不对主用户造成干扰的情况下对用户的再次出现进行快速的检测，以此便于为用户腾出相应的带宽。要想对该功能进行实现，就需要对一种新的功能-频谱侦听技术进行运用，能够获得非常高的检测率。而受到检测能力的限制以及阴影衰落以及多径情况的影响，为了能够更为准确的对用户不同的接收功率进行检测，该技术在带宽频率捷变以及前端灵敏度方面具有更高的要求。在早期，其对周期平稳过程以及导频信号技术进行应用，并不能够对频谱检测的可靠性进行满足。而就目前来说，则可以通过DF、AF以及CF协议的应用对其频谱侦听能力进行提升。 2. 动态频谱分析 在现今的频谱研究中，欧洲地区的很多项目已经对不同网络的动态频谱分配算法进行了研究，而对于认知无线电网络来说，用户在可用信道、位置以及数量方面的需求具有着变化的特征，并因此使这部分技术存在着不完全适用的情况。考虑到目前动态频谱分配在标准、政策以及接入协议等方面的限制，基于频谱统筹策略是现今应用较多的频谱共享技术，在该技术中，其思想即首先将不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，之后再将其划分为不同的信道。没有得到授权的用户，则可以对这部分空闲的信道进行临时的占用。对于该策略来说，对信道应用的公平性以及利用率进行了充分的考虑，可以说是一个受
认知无线电原理技术与发展趋势
摘要：认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。当前，认知无线电技术从理论到实践都面临很多困难。文章简述了认知无线电的基本原理，对认知无线电涉及的射频、频谱感知和数据传输等物理层核心关键技术进行了总结分析，并结合当前的发展状况对该技术未来的发展趋势进行了预测。 关键词：认知无线电；频谱感知；数据传输；网络体系与协议 Abstract: Cognitive Radio (CR) is an intelligent radio technology which has the capability to search and utilize underutilized spectrum resources. CR has been recognized as an effective solution to the dilemma introduced by the rapid growth of wireless communications and the scarcity of spectrum resources. However, from theory to practical applications, there are many challenges faced by CR currently. In this paper, the key physical layer techniques of CR, such as radio frequency front-end, spectrum sensing and data transmission, are discussed. According to the status of the research, the development tendency of this technology is also predicted. Key words: cognitive radio; spectrum sensing; data transmission; network architecture and protocol 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 这一思想在2003年美国联邦通信委员会(FCC)的《关于修改频谱分配规则的征求意见通知》中得到了充分体现，该通知明确提出采用CR技术作为提高频谱利用率的技术手段。此后，CR技术受到了产业界和学术界的广泛关注，成为了无线通信研究和市场发展的新热点。然而，CR技术从理论到大规模实际应用，还面临很多挑战。这些挑战包括了技术、政策和市场等诸多方面。本文从技术的角度，总结分析CR的基本原理、关键技术，并对将来技术发展趋势进行预测。 1 认知无线电基本原理 1.1 认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义[1-3]，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”[4]。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”
认知无线电中频谱感知技术研究 Matlab仿真 免费分解
毕业设计（论文）题目：认知无线电中频谱感知技术研究专业： 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 指导单位： 20分太坑爹了。老子放个免费的 日期：年月日至年月日
摘要 无线业务的持续增长带来频谱需求的不断增加，无线通信的发展面临着前所未有的挑战。无线电频谱资源一般是由政府统一授权分配使用，这种固定分配频谱的管理方式常常会出现频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这与日益严重的频谱短缺问题相互矛盾。认知无线电技术作为一种智能频谱共享技术有效的缓解了这一矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱环境，自动搜寻已授权频段的空闲频谱并合理利用，达到提高现有频谱利用率的目的。频谱感知技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。 本文首先介绍了认知无线电的基本概念，对认知无线电在 WRAN 系统、UWB 系统及 WLAN 系统等领域的应用分别进行了讨论。在此基础上，针对实现认知无线电的关键技术从理论上进行了探索，分析了影响认知网络正常工作的相关因素及认知网络对授权用户正常工作所形成的干扰。从理论上推导了在实现认知无线电系统所必须面对的弱信号低噪声比恶劣环境下，信号检测的相关方法和技术，并进行了数字滤波器的算法分析，指出了窗函数的选择原则。接着详细讨论了频谱检测技术中基于发射机检测的三种方法：匹配滤波器检测法、能量检测法和循环平稳特性检测法。为了检验其正确性，借助 Matlab 工具，在Matlab 平台下对能量检测和循环特性检测法进行了建模仿真，比较分析了这两种方法的检测性能。研究结果表明：在低信噪比的情况下，能量检测法检测正确率较低，检测性能远不如循环特征检测。 其次还详细的分析认知无线电的国内外研究现状及关键技术。详细阐述了频谱感知技术的研究现状和概念，并指出了目前频谱感知研究工作中受到关注的一些主要问题，围绕这些问题进行了深入研究。 关键词：感知无线电；频谱感知；匹配滤波器感知；能量感知；合作式感知；
认知无线电关键技术及应用的研究现状
https://www.sodocs.net/doc/9e14760359.html, 认知无线电关键技术及应用的研究现状1 郭彩丽,张天魁,曾志民,冯春燕 北京邮电大学通信网络综合技术研究所（100876） Email:caili_guo7@https://www.sodocs.net/doc/9e14760359.html, 摘 要：归纳了认知无线电功能的演进，讨论了其相关频谱政策和标准化工作的进展，并重点对频谱侦听和主用户检测、动态频谱分配、功率控制等关键技术及认知无线电在无线区域网WRAN、Ad Hoc网络、UWB系统中应用的研究现状做了分析。在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。 关键词：认知无线电； 频谱侦听；主用户检测；动态频谱分配；功率控制 1引言 目前随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。人们通过采用先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、多天线技术等努力提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段的频谱利用率极低。以美国为例，美国联邦通信委员会(FCC, Federal Communications Commission)的大量研究报告说明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段占用拥挤，而有些授权频段则经常空闲[1]。来自美国国家无线电网络研究实验床(NRNRT, National Radio Network Research Testbed)项目的一份测量报告表明3GHz以下频段的平均频谱利用率仅有 5.2%[2]。因此近几年来，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱共享技术受到了人们的广泛关注。 现有的频谱共享技术，如工业、科学和医用(ISM,Industrial, Scientific, and Medical)频段开放接入、工作于3GHz～10GHz频段的超宽带(UWB, Ultra-Wide Band)系统与传统窄带系统共存等技术通常应用于固定频段的共享，或受限于发送功率的短距离通信。这些技术在提高频谱利用率的同时却增加了干扰，限制了通信系统的容量和灵活性。认知无线电(CR, Cognitive Radio) [3,4,5]作为一种更智能的频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态的检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用。这将大大降低频谱和带宽的限制对无线技术发展的束缚。因此这一技术被预言为未来最热门的无线技术。 2CR功能的演进 CR的概念虽新，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。典型的例子有：工作于45MHz左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免使用已占用的信道；免授权1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：2003001312）资助 - 1 -
认知无线电技术介绍
认知网络课程学习报告题目：认知无线电技术简介
目录 1、认知无线电简介 ………………………………………………………………………………………………………….- 1 - 1.1 技术产生背景.................................................................................................................. - 1 - 1.2 基本理念和平台结构..................................................................................................... - 1 - 1.3 认知无线电的发展及研究现状 .................................................................................... - 3 - 2、认知网络关键技术................................................................................................................... - 4 - 2.1 频谱检测技术.................................................................................................................. - 4 - 2.2 自适应频谱资源分配技术............................................................................................. - 5 - 2.3 认知无线电下的频谱管理............................................................................................. - 5 - 3、认知无线电的标准化............................................................................................................... - 6 - 4、认知无线电的应用场景........................................................................................................... - 7 - 5、结语............................................................................................................................................ - 9 - 参考文献........................................................................................................................................ - 10 -
认知无线电
航天器通信技术的发展和应用课程报告 《认知无线电技术研究》 姓名房鑫 学号 151230124 学院航天学院 专业信息工程 二〇一六年三月 I
摘要 摘要 认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。随着无线通信技术的发展，一个日益严峻的问题摆在了我们的面前，那就是频谱资源日趋缺乏。但是另一方面，无线频谱资源在空间和时间上存在着不同程度的闲置，于是人们提出了认知无线电技术。认知无线电网络中的用户能感知周围的无线环境，并能择机进入频谱，从而提高了频谱利用率和实现了频谱的灵活分配。 本文主要对认知无线电的动态频谱分配算法进行了研究。频谱的灵活应用要求认知无线电系统能够动态地分配频谱资源，包括要为主用户的出现实现退避和切换功能，因此，频谱分配是能否充分高效利用空闲频谱的关键技术。 本文首先对认知无线电作了简要的介绍，阐述了认知无线电的概念、功能以及发展状况等。然后介绍了认知无线电关键技术及频谱分配方法，并分析了现有算法的优缺点。 关键词：认知无线电，频谱分配，图论着色，用户需求，公平。
1绪论 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 现在的频谱管理策略是基十静态控制的模型，频谱是固定授权分配的，因此导致了较低的频谱利用率。而认知无线电技术使得次用户对频谱的二次使用成为可能，极大地提高了频谱利用率，被认为是解决频谱缺乏问题的方案之一。本章将对认知无线电技术做一个简单的介绍。 1.1认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph MitolaⅢ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。” 无线频谱资源在传统的无线通信系统中是固定授权分配的，这样的分配方式有利于保证系统的服务质量(QoS,Quality of Service)，但是也这样的分配方式也导致了频谱利用率的低下[1][2]。FCC(Federal Communications Commissions，美国联邦通信委员会)的一份调查报告表明,分配给授权用户的频段其使用率在不同时间不同地区的波动很大,从15%-85%不等。而认知无线电的正是为了解决这个问题而提出的。 认知无线电的概念是Joseph MitolaⅢ博士于1999年在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的[3]，强调软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）是实现CR的理想平台，是对软件无线电的进一步的扩展。Joseph MitolaⅢ博士于2000年在他的博士论文给出了他对认知无线电的定义。他认为：
认知无线电学习笔记一：综述概述类
认知无线电学习笔记一:综述概述类 CNKI 2007.01.01—2008.09.03有关CR的概述类文献选读。 1.{Title}: 无线通信领域的“下一个大事件”——认知无线电{Author}: 韦海珍{Journal}: 通信对抗{Year}: 2007 {Issue}: 03 ★★ 该文认为:CR是对SDR的进一步扩展,SDR只关注信号处理的软件实现,而CR 则强调对无线环境的感知并据此调整系统的工作参数,是更高层的概念,不仅包括信号处理,还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。 作者认可的是FCC对CR的经典定义:CR是无线终端利用其与周围无线环境进行交互所获取的无线背景知识,调整传输参数、实现无线传输的能力。则具备了CR 能力(环境感知探测能力和据此调整传输频点及相关传输参数的能力)的设备即为CR设备。认知用户(非授权的二级用户)可在对主用户(授权的一级用户)不造成干扰的情况下伺机接入可用频谱,从而在空间、时间、频率上实现对频谱资源的多维利用,提高频谱资源的利用率。显然CR 的真正运行还需要规则上的支持:FCC通过了《FCC规则第15章》修正案(2003.12);DARPA 拟定XG计划;IEEE成立802.22工作组(2004.10,WRAN);SDRF成立了CR小组。 该文章认为CR功能的实现基于一个认知循环的过程:始于无线电激励的被动感知,以做出反应行为而终止。一个基本的认知循环要经历3种基本过程,即无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测和频谱管理。但是文章对这3个基本过程的描述很不清楚,估计是参考某种特殊的CR实例而又没给出该实例。 作者总结的CR关键技术有三:准确、快速的频谱感知技术,自适应数据传输技术,动态频谱资源管理。 频谱感知分两个阶段:第一阶段检测感兴趣频段是否存在主用户信号,寻找可用的频谱资源;第二阶段在使用频谱资源的过程中要持续地检测外部环境,一旦主用
认知无线电实验
武汉理工大学 现代数字信号处理在前沿学科中的应用实验 认知无线电 学院：信息工程学院 学号：1049731503279 姓名：吴志勇 班级：电子154
实验一认知无线电的开发环境与基础实验入门 一、实验目的 1、掌握Linux系统下的基本操作。 2、了解认知无线电实验平台。 3、掌握GNU Radio软件平台的搭建过程。 4、了解USRP N210设备的检测。 二、系统、硬件配备 一台配有千兆网卡的PC机，ubuntu11.10系统，GNU Radio3.5.0安装包（也可以选择其他带有UHD的GNU Radio版本）。 三、实验流程 GNU Radio的安装主要包括三个部分的安装，准备库的安装、UHD的安装、GNU Radio 的安装，下面将从这三个部分开始介绍。 1、网络连接 在ubuntu下进行网络IP设置，打开命令终端，常用的命令：使用ls命令查看当前路径下文件，使用cd命令进入文件夹。 2、准备库的安装： 在https://www.sodocs.net/doc/9e14760359.html,/redmine/projects/gnuradio/wiki/UbuntuInstall中，有其安装方法，对应找到我们的ubuntu11.10所需要的准备库内容，利用apt-get来安装。 安装完毕之后可以根据build-guide程序中所提到的库进行验证。 3、UHD的安装 可以到官网上看见很多uhd的版本，我们采用的版本是003.004.000，可以直接从设备所带的光盘中获得（/tmp/uhd/host）: 执行： cd /tmp/uhd/host mkdir build cd build cmake ../ make make test sudo make install 4、GNU Radio的安装 本文以GNU Radio为例，从官网上可以下到gnuradio3.5.0的安装包，我们可以通过安装包中的version.sh文件来查看其版本，选择gnuradio3.5.0来安装。 执行： cd /gnuradio
认知无线电的关键技术和应用研究
2007年第7期，第40卷 通 信 技 术 Vol.40，No.07,2007 总第187期Communications Technology No.187,Totally 认知无线电的关键技术和应用研究 刘 元①，彭 端②，陈 楚① （①广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006；②广东工业大学实验教学部，广东 广州510006） 【摘 要】认知无线电是一种新的智能无线电技术，它通过动态的接入频谱为用户提供高容量的服务，能极大的改善现有的低效的频谱利用率。文章重点分析了认知无线电中频谱检测、频谱管理、功率控制等关键技术，以及认知无线电在超宽带、Mesh网、无线区域网的应用现状，最后探讨了认知无线电发展需要关注的难点问题。 【关键词】认知无线电；频谱检测；频谱管理；功率控制 【中图分类号】TN929【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2007)07-0050-03 Investigation on the Key Techniques and Applications of Cognitive Radio LIU Yuan①, PENG Duan②，CHEN Chu① (① College of Information Engineering, Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006, China; ② Department of Experiment Education, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China） 【Abstract】Cognitive radio is a new intelligent radio technique, it can provide large capacity services for users by dynamic spectrum access, improve the ineffective utilization of spectrum in existence. This paper starts with the concept of cognitive radio, focuses on the key techniques, such as spectrum detection, spectrum management and power control, as well as the applications of cognitive radio in ultra-wide-band, Mesh network and wireless area network. Finally it discusses the possible problems of cognitive radio which need to be paid attention to in its future development. 【Key words】cognitive radio; spectrum detection; spectrum management; power control 0 引言 无线通信频谱是一种有限的宝贵资源，目前主要是由国家统一管理、统一授权使用。每一个无线通信系统独立地使用一个频段，以使各个不同的系统互不干扰。这种授权的、静态（固定）的频谱分配方式可以有效地避免系统间的干扰。但是，随着无线通信业务和需求的快速增长，频谱资源的缺乏日益严重，美国联邦通信委员会（FCC）研究报告指出频谱的使用情况极不平衡：一些频带大部分时间没有用户使用，另一些频带只是偶尔使用，而剩余频带的使用则竞争很激烈[1]。因此，在各地区、各时间段里充分利用空闲的频带，提高频带的利用率，成为人们非常关注的问题。 1999年，J.Mitola博士提出了认知无线电（CR）的概念。认知无线电是一种智能的无线通信技术，它能够连续不断地感知周围的通信环境，通过对环境信息的分析、理解和判断，然后通过无线电知识描述语言（RKRL）自适应地调整其内部的通信参数（如发射功率、工作频率、编码方式等）以适应环境的变化。其核心思想是通过检测哪些频谱处于空闲状态，在不影响授权用户的前提下智能地选择和利用这些空闲频谱，从而提高频谱的利用率。 1 CR的关键技术 1.1 频谱检测 频谱空洞是指分配给授权用户但在一定的时间和具体的位置该授权用户没有使用的频谱。如果将待检测的频谱分成三种情况：黑色区域，常被高能量的局部干扰所占用；灰色区域，有部分时间被低能量干扰所占用；白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰占用。一般情况下，白色区域和有限度的灰色区域可被等待的用户所使用。频谱检测的任务就是寻找合适的频谱空洞并反馈至发送端进行频谱管理和功率控制。 在CR系统中，频谱检测不仅对频谱空洞的检测起决定作用，同时也对频谱状态进行监测。典型的频谱检测技术有两种：一种是基于发射机的能量检测，另一种是基于接收机 收稿日期：2007-04-26。 基金项目：广州市应用基础研究项目（2006JI-C0331）。 作者简介：刘 元（1984–），男，硕士研究生，研究方向为宽带移动通信系统；彭 端（1963–），男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事宽带移动通信系统与网络研究工作；陈 楚，男，硕士研究生，主要研究方向为宽带移动通信系统技术。 50