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频谱池在认知无线电中的应用

江磊北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生
高月红北京邮电大学信息与通信工程学院讲师
张欣北京邮电大学信息与通信工程学院副教授
杨大成北京邮电大学信息与通信工程学院教授
摘要：认知无线电CR(Cognitive Radio)能够有效解决频率资源的稀缺性和低利用率之间的矛盾，使得频率资源得到更好的利用。在CR系统中使用频谱池可以进一步提高频谱利用率。本文首先介绍了频谱池的概念和原理，然后对频谱池实现相关同题进行了探讨，并分析了频谱池的应用前景。
关键词：认知无线电，频谱池
1引言
随着社会和经济的发展，人们对无线带宽的需求逐渐增加。但是，频率资源是有限的，而且大部分的频段已经分配给了授权用户(LU：Licensed User)，导致可分配给新用户的频率十分稀缺。而另一方面，实际测量表明，这些已经分配的授权频段并没有得到充分利用，它们大部分时间都处于空闲状态。频率资源的稀缺性和低利用率的矛盾促使了认知无线电（CR：Cognit[来自www.Lw5U.coM]ive Radio）的提出。认知无线电的思想是认知用户(CU：Cognitive User)能够感知其所在环境的频谱使用情况，选择LU暂时没有使用的子频段进行传输。此外，在认知无线电中使用频谱池技术，可以进一步的提高频谱利用率。
本文接下来将首先介绍频谱池的概念和思想，然后探讨应用频谱池时遇到的技术问题及目前这些问题的解决情况，最后综述全文并分析频谱池的应用前景。
2频谱池介绍
频谱池的概念最早是在[4]中提出的。主要目标是在对已存在的授权系统不做任何修改的情况下，通过引进一个租赁系统( RS:Rental System)的方式，来提高频谱利用率。我们可以用图l来总结频谱池的工作原理。
从频谱池的概念中可以看出，租赁系统RS需要对原系统的频率使用情况有高度的感知，以便能够有效利用原系统空闲的频率资源。正交频分复用技术(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multi-plexing)调制方式很适用于频谱池的应用。因为OFDM系统能够预留一部分子载波，相当于提供了自适应传输过滤，也能够灵活地对子频带资源进行操作。在频谱池系统中应用OFDM，其基本思想是将授权系统（LS：Licensed System）的子频带带宽与整数个租赁系统RS的子载波间隔△F匹配。图2所示为4个RS子载波匹配一个LS子频带带宽的情况。另外，在应用OFDM时要满足信道的相干时间比OFDM符号的时间TS大，信道的相干带宽比OFDM的载波间隔△F大，以保证OFDM符号传输时间内信道保持不变，减少码间干扰。
使用OFDM调制方式，一方面可以利用OFDM对子载波操作的便利性，将空闲子载波分配0向量，这样可以减少发射功率。而且当RS只使用LS空闲子频带中的子载波进行传输时，可以保证RS和LS在互相干扰很小的情况下共存。另一方面，RS对LS的频率使用情况的探测时需要使用快速傅里叶变换（FFT:Fast Fourier Transform），而在LS中对OFDM信号的解调采用的也是FFT，因此系统不需要引入额外的开销。
虽然在认知无线电系统中使用频谱池可以有效提高频谱利用率，而且OFDM的引入使频谱池的实现变得更加方便，但是频谱池在实现时仍会遇到许多问题，如频谱池的建立、干扰的产生和抑制、切换和调度等。下面将就这些问题进行分析并介绍目前的解决状况。

3频谱池实现中的关键问题
3.1频谱池的建立
频谱池的建立分为三步，如图3所示。首先租赁系统用户( RSU:Rental System User)感知频谱使用情况，然后RSU将感知得到的信息发送给接入点(AP:Access Point)，AP根据这些感知信息分析得到可用的空闲频段，从而形成频谱池，最后AP将频谱池信息进行广播。
(1)RS终端的频谱感知
频率接入探测过程有两个前提假设：第一，在RS探测频谱时间内，上层协议必须保证所有的RS用户保持沉默，即空中只有LS发射的功率；第二，频谱探测是在最坏场景下进行的，即RS用户和LS用户之间没有直视线路的情况，因为当两者之间有直视路径时，检测到的LS功率将会比较大，从而使检测结果更好。
频谱探测可以分为两种类型：RS用户单独探测和联合的分布式探测。当采用单独探测，即每个RSU单独探测频谱环境并形成自己的频谱池时。由中心极限定理可知，探测到的信号符合零均值的高斯随机过程加上信道产生的加性白高斯噪声以及器件引起的热噪声。应用Neyman-Pearson准则，可以得到在给定的错误警报概率下能够使用的最高探测速率。在频谱探测阶段要使错误警报概率尽可能的低，因为较低的错误警报概率能够保证RS较高的吞吐量，而较高的错误警报概率会使得LS的空闲子频带得不到有效的利用。理论和仿真结果表明，在建立频谱池的频谱探测中，要保证探测的准确率为99.9%且错误警报概率小于1010的性能，只能通过分集的方法得到，即采用在探测时间内有多个RS用户同时发起探测的分布式频谱探测方法。文献[6]还给出了分布式探测的具体算法和数学表达式，而文献[7]则给出了错误警报概率的计算方法[来自www.lw5u.Com]。
(2)AP端频谱信息的收集和广播
由上文叙述可知，在频谱池系统中应该使用分布式的频谱探测。在各个RS终端完成频谱探测后，探测信息应该被传送到AP端，并在AP端进行逻辑或运算。即只要一个RS终端探测到了该子频带被LU占用，则认为该频带不可用，从而最大限度地保证LU的正常传输，并尽可能减少RS对LU的干扰。在探测信息的收集过程中，不能使用普通的无线帧来传输这些探测信息。因为参与频谱探测的RS用户通常比较多，若在普通的无线帧中传输，则在媒体接入控制(MAC:Medium Access Control)层会占用很多的资源，这样留给LU传输信息的资源就会减少，系统的效率反而会降低。解决这一问题的方法就是在物理层中完成探测信息的传输嗍。文献[8]也给出了一种物理层传输方案，该方案分为两步，首先是传输LU新占用的子频带信息，然后是传输LU重新释放的子频带信息。
在AP端完成频谱探测信息的收集并进行处理后就能够得到空闲的频带信息，即形成了频谱池。下一步就是将频谱池信息进行广播，通知RS终端。常用的方法就是在MAC层传输并采用有效的编码和调制方式，以提高信息传输的正确性。但是需要注意的是，由于是在MAC层的包中传输，这种广播方式会需要一定的时间，而在这段时间内可能会有新的LU接人到系统，频谱资源的分配会有所改变，若继续使用原来的频谱池信息就会对新接入的LU带来干扰。文献[8]给出了一种广播方式来解决这一问题。
(3)频谱池建立中的干扰问题
由于RS和LS信号的非正交性，两者间会相互干扰。RS对LS的干扰产生在OFDM传输系统中的IFFl´阶段，而LS对RS的干扰产生在接收端的FFT阶段。减轻RS和LS相互干扰的方法有两种，分别是采用时间域的加窗技术和自适应保护带宽。在加窗技术中采用升余弦的窗函数时，会对两者的干扰有一定的改善，但是效果并不明显。而自适应带宽保护的方法能提供比较好的干扰抑制效果。自适应保护带宽就是让与LU正在使用的子频带相邻的一部分空闲频带不参与RS的数据传输，如图4所示。文献[10]给出了一种基于信噪比(SNR:Signal tonoise Ratio)门限的自适应保护带宽的实际操作方案。 另一个导致RS和LS信号非正交性的是同步问题。当RS接入LS的子频带时，由于系统的不同步，会对LS系统产生干扰。而OFDM系统对频率偏移、相位噪声和定时错误非常敏感，这些由于同步不理想而造成的干扰会使OFDM符号间的正交性逐渐减弱，从而对系统性能产生影响。传统无线局域网的同步技术不再适用于这种大量子频带接人的同步。在同步技术中，大部分方法都是使用表头序列或导频等已知序列的连续相关性来进行同步校正。研究表明…l，提高表头序列的相关长度能够得到更好的同步效果。但是表头序列的持续时间会变长，占用更多的资源，而且，如果LS占用资源增多，留给表头序列的资源减少，同步效果会急剧下降。如果想进一步提高同步效果的话，可以采用对LS的干扰过滤技术。即在表头序列进入补偿器前，利用已知的分配向量和收发端的FFT/IFFT信息，对窄带干扰进行过滤。这样的话在LS占用的子频带上就不会产生干扰，但是由于很多有用的频率信息也会被过滤掉，会对补偿器的性能产生一定的影响。不过文献[11]指出，这种损失是可以接受的。所以采用更长的相关表头序列和干扰过滤技术会得到比较好的同步效果。
3.2频谱池管理
频谱池的管理涉及的是对MAC层的影响，主要包括频谱池的切换和调度。当一个频谱池中的可用资源很少时，就可能会不适用于数据的传输，此时终端就应该切换到一个有更多资源的频谱池中继续传输。我们可以采用传统的切换策略进行切换选择。需要注意的是，为了避免乒乓效应，应该引入滞后回线。即新频谱池的可用带宽应该大于现在频谱池的可用带宽再加上一个滞后量。这个滞后量的优化也是一个值得研究的地方。对频谱池中的资源进行调度也是很重要的。不同用户之间有优先级，同一用户不同业务间也会有优先级，所以好的调度策略能够使频谱池的利用率更高。
4结束语
在上文的论述中我们可以知道，在认知无线电中应用频谱池系统可以有效提高系统的频谱利用率，从而提高整个无线网络的业务承载能力。特别是在物联网高速发展的背景下，无线网络中传输的信息量将大幅度上升，如何合理利用有限的频谱资源，通过更少的频谱资源实现更高的传输速率必将成为影响物联网发展的关键因素。而使用了频谱池系统的认知无线电技术是提高频谱利用率的一个很好的选择。现在频谱池也已经广泛应用于认知无线电的研究中。但是在频谱池的建立和使用时会有一些需要注意的问题，如频谱环境的探测、频谱池的使用策略等。现在这些问题都有了一定的解决方案，使频谱池的概念得到了更好的应用。相信随着进一步的研究，频谱池会得到更高效的利用，进一步系统提高系统的频谱利用率。

-全文完-