（通信与信息系统专业论文）认知无线电中的频谱切换研究.pdf

摘要 摘要 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术即将成为解决现有频谱资源短缺问题 的关键技术之一。认知无线电技术突破传统的频谱分配机制，从崭新的角度来使 用频谱资源，从而达到提高频谱利用率的目的。认知无线电技术已经成为当前无 线通信领域内的研究热点，涉及到的各方面的关键技术均需要深入的研究，其中 采用认知无线电技术的频谱切换将是需要研究的关键技术之一。 在认知无线电网络中，为了处理频谱移动性需要引入一种新型的切换，称之 为频谱切换，用于使其通信时在不同的频段上进行转换。本论文将针对认知无线 电环境中的频谱切换算法和协议进行较为深入的研究。通过对认知无线电环境的 分析和总结，提出了能够反映认知无线电网络特点和适合于在认知无线电环境下 工作的切换算法和协议，并对相应的性能进行了仿真验证。 论文首先简要地介绍了认知无线电的研究背景，随后对认知无线电网络中频 谱切换的研究背景做了简要的介绍，并给出了本论文的主要贡献和内容安排。之 后讨论了下一代网络中切换管理的热点，并结合认知网络在下一代切换管理技术 的基础上提出了频谱切换的定义、分类以及通用的流程，然后总结了目前在认知 网络中现有的频谱切换的关键技术。 针对分析得到的由于频谱动态性引起的频谱切换过于频繁、主用户使用高峰 期认知用户掉话率高这两个问题，并结合认知环境的特点，本论文提出了相应的 频谱切换算法和协议。在第三章中，提出了基于蚁群任务分配模型的频谱分配算 法，目的是最小化认知用户的切换概率，仿真中利用o n o f f 模型对主用户的信 道利用情况进行建模并得出此算法能在多种主用户业务的仿真环境中大幅度降低 认知用户切换概率的分析结果。在第四章中，针对主用户使用高峰期认知用户掉 话率高的问题设计了一种针对分级频谱共享网络的切换挽救协议，理论分析和仿 真结果都表明此协议能大大降低认知用户的掉话率。 关键词：认知无线电，频谱切换，频谱分配，切换协议 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dp r o g r e s so fw i r e l e s sa p p l i c a t i o n sr e s u l t si nt h es c a r c i t yo fr a d i or e s o u r c e s a n dd e m a n d sh i g h e re f f i c i e n c yo fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tm e c h a n i s m s a sab i g b r e a k t h r o u g hi ni m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no fr a d i or a 5 0 u r c e s ，c o g n i t i v er a d i ot e c h n i q u e s h a sb e e no n ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nw i r e l e s sn e t w o r k s h o w e v e r , i tn e e d s d e e p - r e s e a r c hi nav a r i e t yo fa r e a s ，a m o n gw h i c h , s p e c t r u mh a n d o f fa l g o r i t h ma n d p r o t o c o ld e s i g ni nc o g n i t i v er a d i o n e t w o r ki sa w i d e l y - d i s c u s s e dk e yt e c h n i q u e t od e a l 、加mt h em o b i l i t yo fs p e c t n u nu s e db yc o g n i t i v eu s e r si nc o g n i t i v er a d i o n e t w o r k , w en e e dan c wh a n d o f fm e c h a n i s m , w ec a l l e ds p e c t r u mh a n d o f f , w h i c he n a b l e c o g n i t i v eu s c i st r a n s f e r r i n gc o n n e c t i o na m o n gd i f f e r e n ts p e c t r u m s t h i st h e s i sc a r r i e s o u tad e e p - r e s e a r c hi ns p e c t r u mh a n d o f fa l g o r i t h m sa n dc o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l su n d e r t h ec o n t e x to fc o g n i t i v en e t w o r k s t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o g n i t i v e r a d i oa n d s p e c t r u mh a n d o f f , t h es p e c t r u mh a n d o f fa l g o r i t h m sa n dp r o t o c o l sw h i c ha d a p t t h e mw e l lt ot h ec o g n i t i v er a d i oe n v i r o n m e n ta r ep r o p o s e d b e s i d e s ，m e i rc o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o np e r f o r m a n c e sa r ea l s oi l l u s t r a t e di nt h i st h e s i s t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h ec o g n i t i v er a d i oc o n c e p t s ，t h er e s e a r c hs t a t u so n c o g n i t i v er a d i ot e c h n i q u e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o g n i t i v er a d i oa n dp o s s i b l ei s s u et o c o n f r o n ta r ea n a l y z e da n dc o n c l u d e di nf o l l o w w eg i v et h ed e f i n i t i o no ft h es p e c t r u m h a n d o f fi n c l u d ei t sc l a s sa n df l o wb a s e do nt h ep r e s e n t a t i o no ft h er e s e a r c ho fh a n d o f f m a n a g e m e n ti nt h en e x t - g e n e r a t i o n a n dt h e ne x i s t i n gs p e c t r u mh a n d o f fa l g o r i t h m sa n d p r o t o c o l sa r eg e n e r a l l ya l s oa n a l y z e ds oa st os p e c i f yt h ef o c u si nt h i st h e s i s f o c u s i n go nt h et w oa s p e c t s ：1 ，c o g n i t i v er a d i os y s t e mh a sah i g hh a n d o f f r a t e b e c a u s eo ft h es p e c t r u md y n a m i c ；2 ，c a l ld r o pr a t eo fc o g n i t i v er a d i os y s t e mi s i n c r e a s e do np e a ko fp r i m a r yu s e r s t h es p e c t r u mh a n d o f fa l g o r i t h m sa n dp r o t o c o l s w h i c ha d a p tt h e mw e l lt ot h ec o g n i t i v er a d i oe n v i r o n m e n ta r ep r o p o s e d c h a p t e r3 p r o p o s e s as p e c t r u ma l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c he n a b l e se a c hc o g n i t i v eu s e rt o d i s t r i b u t i v ec h o o s et h eb e s tc h a n n e lt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fh a n d o f fb y m t 。m 。m t z l n gh a n d o f fr a t ea n dh a n d o f fl a t e n c y c h a p t e r4d e s i g n sah a n d o f fr e t r i e v a l p r o t o c o lw h i c hs a v e s t h ec a l ld r o pb a s e do nt h eh i e r a r c h i c a ls p e c t r m ns h a r i n gn e t w o r k ， t t a b s t r a c t t h e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa l ls h o wt h a tt h i sp r o t o c o lc a nr e d u c et h ec a l ld r o pr a t eo i l a b i gs c a l e k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，s p e c t r u mh a n d o f f , s p e c t r u ma l l o c a t i o n , h a n d o f f p r o t o c o l i i i 图目录 图2 - 1 图二2 图目录 认知无线电系统中频谱切换示意图 频谱切换的构成。 图2 - 3 频谱切换的流程。 图3 - 1o n o f f 业务源产生模型。 图3 - 2 非突发业务的o n o f f 状态转移图。 图3 3 图 1 0 1 1 2 0 突发业务的o n o f f 状态转移图2 1 非突发业务o n o f f 模型下认知系统的切换概率2 4 图3 5 突发业务o n o f f 模型下认知系统的切换概率 图4 _ 1 分级频谱共享网络结构示意图 图4 - 2 图4 1 3 分级频谱共享网络通信机制示意图 二类接力频谱切换示意图 图“一类接力频谱切换示意图 2 5 2 7 3 0 3 1 图4 - 5 二类接力频谱切流程图。 图4 - 6 一类接力频谱切流程图3 5 图4 7 中继节点转发模型4 l 图4 - 8 信道i 的状态转换。 图4 9 切换挽救协议仿真场景。 图4 - 1 0 主用户对一类频谱的利用率 4 3 4 6 图4 - 1 1 使用二类接力频谱切换协议后的掉话率比较4 7 图4 - 1 2 使用一类接力频谱切换协议后的掉话率比较4 8 表目录 表目录 表孓1 认知系统和蚁群任务分配模型的对应关系表 表3 - 2 最小化切换概率频谱分配算法的仿真参数表。 表4 - 1 二类接力频谱切换协议的仿真参数表 v 1 8 2 3 缩略词表 c r c r u c i m s c s m a c a d a m e 2 r f c c h s s n m e e n u m a c m c i 己p o f d m p d a p u q o s u m t s 佩a n w i m a x x g 缩略词表 c o g n i t i v er a d i o c o g n i t i v er a d i ou s e r c o g n i t i v er a d i ob a s es t a t i o n c a r d e r s e n s i n gm u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e d e f e n c ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y e n dt oe n dr e c o n f i g u r a b i l i t y f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n h i e r a r c h i c a ls p e c t r u ms h a r i n gn e t w o r k i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o i l su n i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i - c h a n n e lr o u t i n gp r o t o c o l o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p e r s o n a ld i g i t ma s s i s t a n t p r i m a r yu s e r q u a l i t yo fs e r v i c e u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k w b r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s n e x tg e n e r a t i o n i i 认知无线电 认知无线电用户 认知无线电基站 载波侦听多路访问碰 撞避免 国防高级研究计划署 端到端可重构 联邦通信委员会 分级频谱共享网络 美国电气电子工程师 学会 国际电信联盟 媒体接入控制 多信道路由协议 正交频分复用 个人数字助理 主用户 服务质量 通用移动通信系统 无线区域网 全球微波互联接入 下一代无线通信 符号表 符号类别 变量 函数 集合 属于 求最大值 求最小值 示例 口 厂( 口) ) m a x m m 符号表 字体和说明 小写斜体 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 蓥监塞2 日期： l 尊正 年岁月弓j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 琴垃导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着无线通信技术的进步，无线应用不断发展，目前，频谱资源的匮乏已成 为无线应用研究过程中不得不面临的问题l l 】书】。 现有通信系统的接入方法主要是基于固定频谱分配的方式，即将一段无线频 谱分配给某一特定的无线接入网络供其专门使用，然后再把其分为若干个频谱子 块，并在中间设定一个固定大小的保护频段，分配给得到授权的运营商。这种固 定分配方式的频谱管理非常简单容易，但是存在着频谱利用率低的缺点。虽然大 多数通信网络是按保证本网络可能的最大传输流量而进行设计的，但是大多数网 络在工作中并非一直处于满负荷状况，于是会不可避免地造成频谱资源浪费。 为了能够进一步提高无线频谱资源的利用效率，一些学者针对授权频段提出 了“二次利用的思想【4 1 。对此，f c c 的政策是这样描述的：“二级市场的有效功 能系统应该通过对空闲频谱的自由交易来鼓励频谱的有效利用。贸易形式可以是 短时的租赁，也可以是长期的租赁，或者直接将权利转卖，【5 】。认知无线电技术正 是基于这一思想而提出来的，并越来越受到关注。认知无线电网络中的用户具有 感知周围环境的能力，能够通过感知周围环境中频谱的使用情况，动态地选择当 前空闲的频谱作为认知无线电网络暂时可用的频谱资源，从而达到提高频谱利用 效率的目的。 认知无线电技术已经成为目前无线通信领域内的研究热点，涉及到的众多关 键技术需要深入研究，频谱切换就是其中之一。在传统的网络中所使用的频谱资 源是相对固定的，而在认知无线电网络中由于使用动态的频谱资源，为了处理这 种频谱移动性需要引入一种新型的切换，称之为频谱切换，用于使其通信在不同 的频段上进行转换。与传统网络中的切换算法及协议相比，认知环境中频谱切换 的触发条件和执行过程均发生了很大变化【3 】，因此有必要针对认知无线电网络的特 点，研究适合于在认知无线电网络中工作的频谱切换算法及协议。 本章剩余部分主要内容如下：1 2 节概述了本论文的研究背景及意义，1 3 节 给出了本论文的主要贡献，1 4 节介绍了本论文的内容安排。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究背景及意义 1 2 1 认知无线电研究背景 认知无线电概念的提出者j o s e p hm i t o l ai i i 博士在其2 0 0 0 年的博士论文【6 】中基 于软件无线电技术，率先给出了下述有关认知无线电的定义：“认知无线电这个术 语是指这样一个观点，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( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，p d a s ) 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。一 m i t o l a 博士的“理想的认知无线电 指出了未来无线电的发展方向，但是到目 前为止，认知无线电最吸引人的地方还是其解决频谱资源紧张的能力。随着认知 无线电技术的不断发展，以及通信业务对频谱资源需求的不断增加，美国联邦通 信委员会( f c c ) 开始重新考虑频谱的管理政策。2 0 0 4 年5 月，f c c 召开了认知无 线电研讨会，讨论了如何利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。 f c c 把具有自适应频谱感知能力的无线电称之为认知无线电，允许未授权用户在 不影响授权用户( 如电视接收机) 使用的前提下，通过认知无线电技术使用电视广播 频段中的空闲无线资源。这一规则的实施为认知无线电的发展扫清了政策上的障 碍，在相关频谱管理部门的政策推动下，各大研究机构开始了认知无线电的研究 热潮。 美国电气电子工程师学会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 在2 0 0 4 年成立了8 0 2 2 2 工作组【_ 丌，目标在于通过认知无线电技术，以不对t v 用 户产生干扰的前提下使用1 v 广播频段，实现无线区域接入网的物理层和介质访问 控制层技术标准。目前，美国、中国、日本、韩国等各个国家的已有多家公司以 单独或联合的方式向i e e e8 0 2 2 2 工作组提交了提案，其提案涉及认知无线电的多 个关键技术。 其它标准化组织也积极参与到了认知无线电技术的研究工作和标准化进程当 中，i e e e8 0 2 1 6 成立了8 0 2 1 6 h 工作小组，致力于通过应用认知无线电技术使 w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，微波接入全球互操作性) 适用 于u h f 频段，从而使其可以工作在免授权的频段。于2 0 0 5 年成立的i e e ep 1 9 0 0 标准小组则致力于与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研 2 第章绪论 究，该工作组对认知无线电的发展也具有重要的意义。此外，国际电信联盟 ( h t c m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 和软件无线电论坛( s d rf o r u m ) 等组 织也成立了认知无线电工作组或通过了发展认知无线电的议案。 与此同时，近年来国际上成功召开了几届有关认知无线电技术的国际学术会 议，分别是：自2 0 0 4 年1 0 月召开的“i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o g n i t i v er a d i o o r i e n t e dw i r e l e s sn e t w o r k sa n dc o m m u n i c a t i o n s ( c r o w n c o m ) 和自2 0 0 5 年1 1 月召 开的“m e es y m p o s i ao nn e wf r o n t i e r si nd y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sn e t w o r k s ( d y s p a n ) 。会议研究了认知无线电的动态频谱分配和接入技术，并累计发表了数 百篇高质量的论文。其他有影响的国际会议，也都相继开展了认知无线电的专题， 收录了大量有价值的论文。 可以说，认知无线电已经成为了一个非常热门的研究领域，并被预言为未来 最为热门的通信技术。 1 2 2 频谱切换的研究背景 虽然近几年认知无线电技术得到了广泛的关注和初步的发展，并被预言为未 来最为热门的通信技术，但认知无线电技术还远不成熟，特别是关于m a c 层的研 究比较少。在认知无线电的m a c 层研究中，频谱切换虽然是其中的研究重点，但 国内外对于认知无线电网络中频谱切换的深入研究几乎还是空白，大部分文章只 是从概念上阐述了切换管理对于维持认知用户通信连续性的重要意义以及笼统的 介绍了认知网络中切换所面临的问题或者将切换与频谱分配或接入等功能模块进 行联合设计，目前为止并没有文章针对认知网络的频谱切换做深入的全面的系统 的研究。文献 1 6 】【1 8 】通过选择性的感知频谱来降低频谱的感知时间，从而降低切 换延迟，并通过对环境的监测提前预判切换的发生。但这类预判机制对于系统的 开销较大，大量的交互信息和数据运算使得在认知系统中实现起来非常困难。文 献【1 9 】提了在m o r a 协议里认知用户衡量切换代价的标准。发射机进行频谱切换 后，需要通过握手机制告诉接收机新的信道，从而会导致额外的开销。因此需要 对频谱切换进行限制，在频谱切换带来的信道容量的增益和带来的系统性能下降 之间达到平衡。vk a n o d i a 通过利用最优停止时间理论来解决了如何最大化频谱切 换带来的增益的同时最小化频谱切换导致花费的问题。但是，上述算法对于频谱 切换衡量标准的考虑较为单一，仅考虑了信道测量的因素。对于其他认知系统特 有的因素并未考虑到。文献【2 0 】、【2 1 通过优化切换执行过程，达到降低认知用户 3 电子科技大学硕士学位论文 的掉话率的目的。文献【2 0 】采用静态式的信道分配方式并不适合认知网络的具体实 现，文献 2 1 】并没有分业务讨论，对于对通信延迟要求较高的实时业务而言这种切 换方式很可能不能满足用户的q o s 需求。 通过上面的分析可以看到，在认知无线电环境中研究关于频谱切换的算法及 协议设计还是很有必要的。国内外对于认知无线电网络中频谱切换的研究成果还 很少，因此本论文的研究意义显得尤为重要。 认知无线电系统可以大体分为： 在工作频段上并没有主用户，多个系统无优先级差别的同时竞争使用频 谱，各个系统对频谱有着相同使用权利，都通过寻找空闲频谱来进行通信。 在认知用户占用空闲频谱时，主用户也感知频谱，继续寻找空余的频谱来 使用，只有在剩余频谱无法满足主用户的通信要求时，才占用次级用户正 在使用的频谱。 主用户并不去感知当前频谱的使用情况，认知用户在被固定分给主用户系 统使用的频谱上，寻找主用户暂时没有使用的频谱进行通信，在主用户重 新进入认知系统使用的频谱时就会造成认知用户的通信中断。 以上三种均属于认知无线电的可应用场景，本论文将主要考虑上述中的第三 种认知无线电的应用方式，即在认知系统的可用频谱上有主用户存在，并且主用 户对频谱的使用具有绝对的优先权。 在认知环境中，引起频谱切换的主要原因有： 1 ) 当主用户出现时，基于保护主用户应得权益的要求，若其需要重新占用认 知户所使用的某个频谱时，认知用户需要立即避让； 2 ) 当认知用户所使用的信道状态变差，这时为保证认知用户的q o s 要求， 需要转换其所工作频段； 3 ) 认知用户由于移动引起可用频谱的变化，从而需要转换工作频段。 为了区别和传统网络中切换算法和协议的区别，本论文着重针对上述第一种 情况进行了研究，并设计出相应的切换算法和协议以及其对频谱切换性能带来影 响的分析。 认知无线电系统中的频谱切换主要有以下功能与指标： 频谱切换概率：频谱切换次数与通信次数的比值。在认知系统中，频谱切 换会使通信的链路中断，接入新的信道也会有延迟，因此频繁的频谱切换 会带来链路层延迟，同时更高层也会受到频谱切换的影响，造成整个系统 性能的下降。所以在设计频谱切换算法时要尽量降低认知系统的频谱切换 4 第一章绪论 概率。 掉话率：掉话次数与成功建立通信连接次数的比值。掉话率过大必然会降 低对用户的服务质量，因此在设计切换协议时应采取必要的措施降低认知 用户的掉话率。 切换延迟：在切换执行过程中由于频谱选择、节点处理等一系列原因，会 产生一定的切换延迟，若切换延迟过大，不光降低认知用户自身的服务质 量，也会对具有频谱优先使用权的主用户产生干扰，所以在设计切换算法 及协议时应尽力降低频谱切换的切换延迟。 本论文将基于以上几点频谱切换性能的量化指标，对认知无线电系统中频谱 切换的算法及协议进行研究，设计适合在认知无线电环境中使用的频谱切换算法 和协议。 在认知无线电的研究中，不同的文献中对使用认知无线电的终端有不同的称 谓。本论文中如果没有特别说明，则统一把认知无线电的终端称之为认知用户。 并且，对通过购买或授权而拥有某段授权频谱使用权的授权用户，本论文统一称 其为主用户。 1 3 本论文的贡献 本论文研究了认知环境中频谱切换的算法及协议。总的而言，本论文的主要 贡献如下： 1 ) 在下一代网络切换管理技术的基础上提出了频谱切换的概念，包括频谱切 换定义、分类以及频谱切换的流程，从而明确了后续研究工作的方向。 2 ) 提出了基于最小化切换概率的频谱分配算法。在蚁群任务分配模型的基础 上提出了适合认知无线电网络的频谱分配模型，并结合两类主用户业务 ( 非突发业务和突发业务) 的o n o f f 模型行了理论和仿真的分析，结果表 明此算法能大大降低认知系统的切换概率。 3 ) 在分级频谱共享网络基础上提出了能显著降低认知用户掉话率的切换挽 救协议。提出了两类接力频谱切换协议的应用场景和基本思想，并对其流 程进行了详细的设计和阐述。针对在二类接力频谱切换中实时业务对时延 要求较高的问题，结合认知环境应用环境的特点设计了接力频谱切换路由 协议。仿真及理论结果均表明，两类接力频谱切换协议均能在分级频谱共 享网络中大幅度降低认知用户的掉话率。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本论文主要研究内容安排 本论文的主要研究内容以及各章节的安排如下： 在第二章中，首先对频谱切换在认知无线电环境下可能遇到的问题进行讨论， 之后讨论了下一代网络中切换管理的热点，并结合认知网络在下一代切换管理技 术提出了频谱切换的定义、分类以及通用的切换流程，然后总结了现有的频谱切 换的关键技术。 在第三章中，研究基于最小化切换概率的频谱分配算法。该算法基于蚁群任 务分配模型，在频谱切换过程中选择在未来时间段内切换概率较低的频谱；通过 对主用户业务进行o n o f f 过程的建模，分别针对非突发业务和突发业务进行了 理论和仿真的分析，结果表明此算法能大大降低认知系统的切换概率。 在第四章中，首先介绍了分级频谱共享网络( ( h i e r a r c h i c a ls p e c t r u ms h a r i n g n e t w o r k ，h s s n ) c 8 1 架构，针对该网络架构，提出了能显著降低认知用户掉话率的 切换挽救协议。在讨论两类接力频谱切换协议的应用场景和基本思想的基础上， 分别给出了协议流程的详细设计，并针对两类接力频谱切换的应用场景做了详细 的理论分析，分析结果表明使用接力频谱切换协议能明显降低认知用户的掉话率。 同时，针对在二类接力频谱切换中实时业务对时延要求较高的问题，结合认知环 境的特点设计了接力频谱切换路由协议。仿真结果表明，两类接力频谱切换协议 均能大幅度降低认知用户的掉话率，验证了理论分析的结论。 第五章对全文进行了总结，对认知无线电系统中频谱切换的进一步研究方向 进行了分析和展望。 6 第二章认知无线电中的频谱切换理论 2 1 引言 第二章认知无线电中的频谱切换理论 从无线通信网络产生发展至今，切换技术一直都是人们关注的热点之一。在 认知系统中，由于其可能由采用不同技术的有线、无线网络的主系统构成，这些 技术在带宽、频带、数据传输时延、覆盖范围等方面存在差异。传统意义上的切 换过程是在采用同一技术的不同基站之间进行的。对认知系统而言，这种定义过 于狭窄。 本论文借鉴文献 9 】、 1 0 j q b 的相关概念，结合认知网络所要获得的信息和需要 进行的处理方式，把频谱切换与传统的垂直切换和水平切换结合起来，构成两类 新的切换方式：水平频谱切换和垂直频谱切换。水平频谱切换定义为占用相同 主用户系统认知网络内的频谱切换；垂直频谱切换定义为在不同主用户系统认知 网络之间的频谱切换。在传统网络中的切换量化指标中仅考虑了信号强度和信道 有效性，但是在认知环境下仅考虑这些因素还不足以做出合理的切换决策。在认 知网络中还应该必须考虑到可用资源的稳定性( 这里的稳定性指的是系统能够持有 该资源的持续时间) 。所选择资源的稳定性越好，则用户的通信性能能够保持的较 好，并且在一定程度上能够减少频谱切换发生的频率。对于垂直频谱切换，除参 数的重配置之外，还会涉及协议重构，因此认知用户需要利用自身可重构的特性， 进行协议的重新配置。本论文将结合下一代网络中的切换管理技术，针对认知环 境的特点对这两类频谱切换进行分析和讨论。 本章在2 2 节中结合文献 1 l 】对下一代网络中的切换管理进行综述性的分析； 2 3 节在下一代网络的基础上对认知环境中频谱切换技术的定义、分类以及通用流 程进行了阐述；2 4 节概要地介绍了部分已提出的频谱切换的关键技术；最后在2 5 节中对本章进行了总结。 2 2 下一代网络中的切换管理 个人通信的终极目标是任何人在任何时间、任何地方可以任何方式实现任何 类型的通信业务，要达到这一目标，需要借助于无线通信中的切换管理技术。在 7 电子科技大学硕士学位论文 i n t e r n e t 以及多媒体业务日益增多的情况下，要建立一个技术单一的无线通信系统 来满足所有业务是不太切合实际的，因此，可利用宽带网络技术将各个不同的专 用无线系统整合起来，构建一个全球通信系统，同时允许各个无线系统相互独立， 允许各无线系统在技术层面上存在一定的差异。在这样的网路中，采用多个无线 接口的移动节点需要能在不同网络中自由切换，而作为实现漫游的一个关键技术， 切换管理必须是高效而灵活的。国际上对下一代移动通信系统的切换定义包括： 水平切换：指使用同一技术的网络内部的切换。水平切换是在测量移动节点 接收到的信号强度，新小区的可用资源来确定是否切换，如果信号强度降低n i - j 限值以下时启动切换，从而更改接入点，同时改变用户连接的路由。当网络控制 切换或移动台辅助切换时，由网络确定切换：当移动台控制切换时，移动节点自 己检测信号强度，自己做出切换决定。在执行切换过程中，移动节点可先与目标 基站建立链路之后再释放原有链路，也可以中断原有链路后再与新基站建立连接， 这两种情况下的切换方式就是通常所说的硬切换方式，即移动节点同一时刻只能 使用一个信道通信；移动节点也可以同时使用多个信道与多个基站通信，俗称软 切换，即在选择它的附着点之前可同时监听候选基站集。 垂直切换：指采用不同技术的网络之间的切换，分为被动切换与用户切换。 被动切换由与其网络接口有效性相关的物理事件所触发；而用户主动切换由用户 策略和喜好所决定。垂直切换分为下行垂直切换和上行垂直切换，下行垂直切换 指的是移动节点从覆盖范围大的网络小区切换到覆盖范围小的网络小区，上行垂 直切换则是相反的过程。 垂直切换过程包括三个步骤： 1 1 系统搜索：移动节点了解哪个无线网络是可以接入的； 2 ) 切换决策：移动节点对可以接入的网络进行估计，而后做出决策； 3 ) 切换执行：移动节点决定进行垂直切换后，执行与新无线网络相关的切换 过程。 切换决策机制是通过确定一系列量化指标，来决定是否需要切换。在传统的 切换量化指标中仅考虑了信号强度和信道的可用性，但是在多网络环境下仅考虑 这些因素，不足以做出合理的切换决策。参考文献 1 3 1 在对下一代移动网络的切换 决策机制进行研究时，增加了服务类型、收费、网络条件、系统性能、移动节点 条件及用户喜好等量化指标。服务类型的不同需要综合考虑可靠性，时延、数据 率等因素；不同网络采用不同的收费政策也可能会影响用户的切换选择；网络相 关参数，如流量、有效带宽、网络时延及拥塞程度也在切换的量化指标考虑范围 r 第二章认知无线电中的频谱切换理论 内，在切换时考虑网络信息可有利于平衡不同网络间的负载，从而减轻网络的拥 塞问题；在切换中考虑信道传播特性、路径损耗、信道间干扰、信噪比、误比特 率等参数，可保证通信系统性能；此外，还可考虑电池功耗，当电池电量较低时， 用户可选择切换到低功耗要求的网络；移动节点条件包括一些动态信息，如速度、 移动方式、移动历史及位置状态等；用户喜好可用于满足一些特殊的要求。 2 3 认知环境中的频谱切换 上一节中，介绍了在下一代网络中的切换管理技术。这一节在此基础上，结 合认知环境的特点提出了认知环境中频谱切换的概念和意义。本节首先介绍频谱 切换的概念和触发条件，然后以水平切换和垂直切换为基础，提出了水平频谱切 换和垂直频谱切换的概念。最后给出了频谱切换在认知环境中的基本流程。 2 3 1 频谱切换的定义 在认知系统中，为了处理频谱移动性，需要引入一种新型的切换，称之为频 谱切换，用于使其在不同的频段上进行转换。图2 1 是一个在认知无线电系统网络 中频谱切换的示意图。从图中可以看出，主用户具有使用合法权利使用本系统的 频谱，而认知用户只是在对主用户不产生干扰的前提条件下择机的使用空闲的频 谱，当主用户有通信需求时应及时交还频谱。交还后认知用户还需寻找其他可用 的频谱继续未完成的通信。这种频段上转换的过程称之为频谱切换。 根据前面的分析并结合下一代网络中切换的触发条件，本论文定义在认知环 境中引起频谱切换的主要原因有： 1 1 当主用户的出现时，基于保护主用户应得权益的要求，若其需要重新占用 认知户所使用的某个频谱时，认知用户需要立即避让； 2 ) 当认知用户所使用的信道状态变差，这时为保证认知用户的q o s 要求， 需要转换所工作频段： 3 ) 认知用户由于移动引起可用频谱的变化，从而需要转换工作频段。 第种情况在认知环境中发生得最为普遍也是在设计频谱切换算法和协议时 应该首要考虑的问题，这也是最能体现认知无线电特点的部分。第二种情况类似 于传统网络中在用户信号变差而触发切换的情形，需要设计合理的切换算法避免 乒乓切换等情况发生。第三种情况是由于认知用户移动性的引起的，需要引入下 一代网络中移动性管理的部分内容，由于涉及到网络拓扑的可变性因此分析起来 9 电子科技大学硕士学位论文 也较为复杂。笔者由于在时间和精力上的局限性，以及为了区别和传统网络中切 换算法和协议的区剐，本论文着重针对上述第一种情况进行了研究，并设计出相 应的切换算法和协议并分析了其对频谱切换性能带来的影响。 被主用户占 图2 1 认知无线电系统中频谱切换示意图 2 3 2 频谱切换的分类 切 程 本论文参照前面所介绍的下一代网络中切换管理的相关概念，以及考虑到认 知无线电网络所要获得的信息和需要进行的处理方式。把频谱切换与传统的垂直 切换和水平切换结合起来，构成两类新的切换方式：水平频谱切换和垂直- 频谱切 换。 水平顿谱切换；占用相同主用户系统认知网络内的频谱切换。当妥进行水平 频谱切换时，需要根据本网络中可用资源( 例如频段，时辣等) 的统计特性以及用户 的服务要求来选择对于自己最为合适的信道等。在同一认知网络内，当主用户需 要重新占用认知户所使用的某个频谱时，认知用户需要立即避让井切换到同一主 用户系统内的其他可用频段上，此时即发生水平频谱切换。在设计水平频谱切换 的算法及协议时，应该充分考虑到可用资源的稳定性f 这里的稳定性指的是系统能 够持有该资源的持续时间) 。所选择资源的稳定性越好则用户的通信性能能够保 持的时间也越长，并且在一定程度上能够减少频谱切换发生的频率。同时还应该 考虑到当主用户在某个时段内集中出现的极端情况，使用合理的机制最大限度的 避免认知用户的掉话。 0 第二章认知无线电中的频谱切换理论 垂直频谱切换：针对不同主用户系统的认知网络之间的频谱切换。如果进行 垂直频谱切换，就需要进行网络发现过程，搜索可用于进行通信的其它网络的频 谱资源，然后再根据所发现网络的特性，网络中可用资源的统计特性以及用户的 服务要求来选择对于自己最为合适的信道。当主用户需要重新占用认知用户所使 用的某个频谱时，认知用户要立即避让，当认知用户切换到相异网络的可用信道 上继续通信时即发生了垂直切换。另外认知用户的移动性，业务的q o s 要求、网 络资源的有效利用等因素也是垂直切换管理必须考虑到的。因此在设计垂直频谱 切换机制时，必须同时考虑来自网络、用户、终端和服务等多方面因素的制约， 综合运用多个因素，设计自适应多准则的控制判决算法。经过大量搜寻目前最新 的相关文献，发现在异构网络环境中，传统方法因为没有充分考虑背景环境和用 户的参数选择，仅利用无线信号强度的阈值和滞后值不足以做出切换和选择判断 【1 4 】。设计垂直频谱切换管理的机制时要用到“聚合 控制思想，需要考虑更多的 决定因素，包括对主用的干扰、信号强度、覆盖范围、网络负载、业务带宽等。 另外，对于水平一频谱切换和垂直频谱切换，均会涉及到参数的重配置、通信 协议重构以及可用资源的从新收集。图2 2 中表示在认知网络中水平频谱切换或 垂直频谱切换所涉及的主要部分。 水平频谱切换， 垂直- 频谱切换 可用资源收集) ( 切换依据指标】( 协议重构) ( 传输参数配置】( 切换性能测量】( 切换策略选择 燃ll 爹娜判麟划嚣爱 2 3 3 频谱切换的流程 图2 2 频谱切换的构成 在可用资源发现的过程中，由于认知网络中可用资源的动态特性，情况更加 复杂。具体表现在： 主用户使用通信资源的不确定性，导致认知用户随时处于“待命 的状态， 认知用户的通信质量很大程度上受制于主用户，过于频繁的频谱切换会导 致切换时延和掉话率的增加。 电子