认知无线电接入机制浅析

鞍山市无线电监测计算站　丁百卉



认知无线电接入机制浅析

鞍山市无线电监测计算站丁百卉

0　引言

近年来，认知无线电(Cognitive Radio 即CR)的研究一直被无线行业所关注，可以说该技术是目前较为热点的无线电技术。因为无线通信业务需求的增长迅猛，可利用频谱资源变得稀缺，但是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。认知无线电技术就是在这种矛盾背景下提出的强有力的技术支持，它针对频谱资源不足，目的实现频谱动态管理以及提高频谱利用率。作为无线通信的一种智能系统，认知无线电先对周围无线电环境感知，并对环境认识、主动学习后做出判断，然后实时调整系统的内部状态和传输参数，从而适应外部无线环境的变化，达到高效的利用频谱和最优化传输的目的，具有广阔的应用前景。

1　CR的概念体系

图1　认知无线电概念体系架构

认知无线电的核心技术之一是频谱检测技术，是其成立的前提和先决条件，对空闲频谱资源的利用的基础必须建立在环境感知和检测的基础上。CR的频谱共享的主旨是CR用户在不影响授权用户的前提下与其在时间或空间上共享一段频谱。高效成熟的频谱共享机制能够协调多个竞争实体的频谱接入，以便有效控制对授权用户的影响，进而提高频谱使用的效率。CR的频谱管理技术包括频谱分析和决策、频谱移动性管理以及频谱定价机制等。认知无线电的整个理论体系就是由以上几个关键技术共同架构起来的。

2　认知无线电接入机制

认知无线电的动态接入问题涉及CR系统的各个层面，其前提是合理选择频谱以提高利用率，所以设计频谱接入机制的本质核心就是如何实现频谱共享和如何进行频谱分配。

目前，无线电接入方案分有控制信道的分配和无控制信道的分配。只要频谱池有空闲的子信道，授权用户可以不中断认知用户的通信方法，而选择空闲信道的方法就是有控制分配；而授权用户只要需要就占用原信道，并不考虑认知用户是否占用信道的方法就是无控制分配。不管用何种方式接入，最终就是要实现频谱共享。而认知无线电技术的研究也不会仅仅停留在解决授权用户与几个CR用户之间的问题，其最终要面对解决的是复杂的CR网络问题。总之，认知无线电是一个无线通信的智能系统，目前主要研究其集中在物理层和媒体访问控制(MAC)层，如图2所示。

图2　接入流程分析图

2.1基于物理层的频谱接入

物理层的接入有几种情况：单对单(即单授权用户对单CR用户)的接入控制相对比较简单，只要监测到有可用频谱资源，CR用户即可决定是否接入；而单对多及多对多系统(面向网络)的接入控制就相对比较复杂，涉及到多用户合作竞争，为避免多用户的冲突问题，功率控制的研究尤为重要。

2.2基于MAC层的频谱接入

CR的MAC层不但具备传统的MAC层功能，如数据传输和媒体接入控制，而且还要具备以下几个新功能：频谱检测的管理、实现与授权系统的共存、实现CR系统之间的共存。除此之外，CR网络的MAC层还涵盖了以下技术：动态频谱分配、防御MAC层攻击的安全机制、跨层设计(网络多层协议)等。其实在网络的设计中，跨层部分的设计具有重要意义，因为.基于PHY,MAC和网络算法的网络多层协议的实现能力决定了这个认知网络性能的好与坏。

2.2.1频谱检测管理

选取及优化实现检测策略和参数通过频谱检测管理环节来实现。主要包括选取何种检测模式、设置检测周期和时长、选取检测信道以及设置检测静默期等。而MAC层频谱检测管理才是执行具体控制物理层频谱检测算法，如决定检测哪些信道、何时检测等。

2.2.2MAC层的接入控制

辨识CR用户是否能被接入网络及何种策略适合接入是实现优化频谱分配的基础要件，这是MAC层接入控制的主要功能。在授权用户接入频谱共享池前先要明确CR用户的存在状态，然后按照与授权用户协调接入和透明接入两种情况将CR用户的接入。

CR用户可以与授权用户协调接入频谱池的前提是授权用户的能够根据CR用户调整其接入控制策略。在这种接入方式下，如果频谱池中存在空闲信道，授权用户就自动选取频谱池中的空闲信道接入。这样，已接入的CR用户就可以继续使用该信道，其业务也就不会被授权用户强行中断。但这种方式要求授权用户网络必须增加一些功能，如信道控制等，在实际网络中实现起来比较困难。

透明接入是指对授权用户来说CR用户是否占用频谱是完全透明，即授权用户接入频谱时不考虑CR用户的存在状态。授权用户不考虑CR用户是否正在占用该频谱，始终将其要接入的频谱视为空闲频谱，强制接入带来的弊端是与授权用户协调接入方式相比，透明接入方式CR用户的强制中断率(Pf)很高。

2.2.3MAC层的动态频谱分配

授权用户使用频谱的不稳定性，CR用户的可用频谱位置和宽度随时间变化，因此CR的频谱资源优化是有限资源再分配问题,目前通行做法是建立频谱共享池(spectrum pooling)策略。该策略是将不同业务的可再分配频谱合并成一个公共的频谱资源池.又将整个频谱池划分为若干可用的新的子信道。频谱的分配就成为受限信道的分配问题，以最大化信道利用率就可以同时兼顾干扰的最小化和接入的公平性。

3　举例说明CR的组网接入机制

事实上CR系统是一种动态的新型智能通信系统：单CR用户的频谱机会随着授权用户的频谱使用情况及本身的移动性而动态变化；多用户(包括多授权及多CR用户)之间的相互影响很大，每个CR用户的频谱机会会随着其他用户的使用情况而动态变化。因此，CR的组网接入技术也必须适应其这种特点，要具有灵活性和动态性。

3.1组网方案

组网方案主要有三种：其一为中心控制结构，控制设计相对简单，但受制于需要建立基站；其二为分布式控制结构，设计困难，且网络组建技术不成熟；其三为网状控制结构，本地网采用Ad-hoc路由，各本地网之间通过AP进行通信(结合了前两种的优点)。

3.2WRAN（Wireless Regional Area Network）

在802.22草案中提供了两种接入机制：竞争式接入机制和协调共享式接入机制。协调共享式接入机制在频谱利用率方面高于竞争式接入机制，但竞争式接入机制在复杂度方面优于协调共享式接入机制。当多个基站的覆盖范围相互重叠时，存在着基站间接入竞争问题。由于拍卖理论在平衡资源需求和激励资源共享方面的独特优势，得到了很高的关注度，基于拍卖理论的动态频谱租借机制得到了深入的研究,这是一种很有效地竞争式接入机制。

目前，基于CR的WRAN还存在诸多问题，比如WRAN空中接口的灵活性和自适应性的提高；相应的物理层和MAC层接入控制机制制定和完善，从而允许基站以对授权用户的频谱感知来动态地改变网络的功率或频率，以避免干扰；以及系统如何建立更好的基站之间协调机制达到避免和解决排列或重叠覆盖，实现更好的共享频谱等等。

3.3其它形式的应用

认知无线电技术也对有中心的网络、分布式网络、自组网(Ad Hoc)和Mesh结构中都展示了其应用潜力，起到了巨大的推动作用。

4　结束语

通过以上的分析，更体现出了无线认知网络的复杂性。随着各种网络新技术的层出不穷，实时无线网络技术的日臻成熟，多种形式的网络共同搭建在认知无线电频率共享的平台之上，为频谱的接入技术提出了更高的要求：不仅需要考虑物理层和MAC层独立的接入技术，而且要综合考虑更高层次的协议和网络设计。只有在此方向基础上不断的研究和完善相应的频谱接入技术，才能适应复杂多变的CR网络系统，满足用户的高品质需求。

丁百卉（1975—），女，辽宁鞍山人，工学硕士，现供职于鞍山市无线电监测计算站，主要研究方向：通讯工程。

作者简介：