[发明专利]一种认知无线电的频谱共享方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于认知无线电领域，尤其涉及一种认知无线电的频谱共享的方法及系统。

背景技术

随着无线通信业务的快速发展，无线电频谱成为重要且稀缺的资源。一方面，各种无线业务在数量和质量上对频谱资源提出了更多的要求；另一方面，由于现有的静态频谱分配方案，导致频谱资源没有得到有效的利用。认知无线及网络技术是提高频谱资源使用效率的有效途径。近年来，众多学者及组织对认知无线电中的频谱（信道）调度问题进行了深入的研究，其主要研究成果如下：

基于租赁的频谱共享：认知无线电创始人J. Mitola 提出的频谱使用思想，即在一定的时间内拥有某段频谱使用权的用户可以将频谱以租赁的形式分配给认知无线电用户，而认知用户需要付出一定的代价。基于此思想，研究者对频谱出租策略提出了各种各样的设想，如基于合作或者非合作博弈方式的频谱出租策略，基于拍卖的频谱出租策略以及基于服务质量需求的租赁策略等等。

这种共享方案主要以运营商和用户的效用函数为目标，对频谱分配进行优化。由于引入了博弈论等经济学领域工具，往往对实际的无线通信模型的假设过于简单，对运营商和用户的效用函数建模过于简化。同时，由于数学工具的限制，这种方案往往对无线通信系统中传统参数（如用户的阻塞率、掉话率、接入等待延迟、系统的用户容量等）无法给出明确的结论。因此，其得到的结果更多时候，只具有理论价值，很难在实际中应用。

基于机会式接入的频谱共享：这种频谱共享方案通常是在假设认知无线电用户具备一定的频谱感知能力，能够实时的侦测到目标频段内授权用户的行为。如果检测到目标频段内没有授权用户通信，则占用此信道。认知用户在通信过程中，如果检测到授权用户在其占用的频段内发起通信，则通过一定的技术（如频谱切换、频谱捷变等）躲避对授权用户的干扰。这种方案的问题较多。首先，由于采用机会式接入策略，认知用户的行为很难受到授权系统的制约，对整个网络的安全提出了极大的挑战。同时，由于认知用户的频谱感知能力以及频谱移动（频谱切换）能力不同， 不可避免的要对授权用户产生干扰，而干扰等级又难以定量给出。因此，这种方案实现难度较大，同时也是授权系统最难以接受的。

基于干扰温度检测的频谱共享：前用面两种频谱共享方式中，对于信道的使用都是独占式的，即在同一个频段内，只能有授权用户或者认知用户存在，两者不能同时存在。基于干扰温度检测的频谱共享方案是非独占式的。其主要思想认为，授权用户在通信过程中，能够忍受一定的干扰，而对于干扰的评价由干扰温度给出。这时，在频段上，信道容量存在一定的余量，认知用户可以在该频段上利用这些信道容量余量，以低于授权用户干扰温度的功率进行通信。典型的应用为underlay频谱共享策略，认知用户往往采用具有极低功率谱密度的超宽带技术实现。

这种方案的主要难点在于对接收机干扰温度的测量。传统的频谱感知技术，如匹配滤波器检测、能量检测以及循环平稳特征检测都是针对发射机检测的，无法给出认知用户对授权系统中的接收机的干扰强度。而基于接收机的干扰温度检测中，主要由两种方案：1）基于合作检测的方案。这种方案利用网络中多个认知用户共同对目标频谱进行检测，并将检测结果上报给数据中心，进行数据融合，判决该目标频谱中是否有授权用户活动。合作检测的主要问题在于对于频谱的使用通常要依赖于多个认知用户的共同工作，需要高密度的认知用户部署。其应用范围受到了极大的制约。2）基于传感器网络的检测。这种方案主要通过部署大量的传感器节点，对系统中的授权用户进行监测。其主要缺点是需要对网络基础设施进行大量改动，其实现复杂度非常高。

基于网络拓扑结构的频谱共享：这种共享方案主要是针对分布式网络结构提出，其核心思想是更大程度的利用网络中空闲的空域资源。认知用户通过合作检测方式确定在较小的通信范围内，目标频段上是否有授权用户存在，或者自身通信是否会影响到授权用户的通信，从而寻找到空域上的频谱空穴。这种思想更多的来自于无线传感器网络或者mesh网等理论，图论是其主要的研究手段。

这种方案与基于干扰温度检测的频谱共享方案较为相似，都是通过合作检测等方式，确定系统中是否有频谱空穴。其缺点也基本相同，即对于认知网络节点密度的高度依赖以及对网络基础设施的大量改动。同时，这种方式很难与现有的基于中心式的网络结构进行融合，很难找到与之对应的授权系统实体。

总之，上述各种频谱共享方案中，认知用户的服务质量可以随意牺牲。当认知用户的服务质量得不到相应的保证，而仅仅追求频谱的高效利用时，就失去了认知无线电技术本身的意义。

发明内容