認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的頻譜資源管理

劉　勤

摘要：作為認(rèn)知無線電(CR)技術(shù)核心問題的無線頻譜資源管理技術(shù)是提高認(rèn)知無線電性能的關(guān)鍵。通過引入資源空間的概念對認(rèn)知無線電技術(shù)領(lǐng)域中的無線頻譜資源管理技術(shù)進(jìn)行說明，形成了無線頻譜資源空間、資源網(wǎng)格、可用資源圖譜等無線資源管理的數(shù)據(jù)體系，并且構(gòu)建了相應(yīng)的分層分布式管理結(jié)構(gòu)和資源管理數(shù)據(jù)庫。形成的資源描述體系和管理結(jié)構(gòu)可以成為研究認(rèn)知無線電資源管理技術(shù)的理論概念基礎(chǔ)和借鑒支持。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；無線頻譜資源管理；資源空間

Abstract: As the core question in the Cognitive Radio (CR) technique field, the wireless spectrum resource management technology has the ability to enhance the CR communication system performance. Here the resource space concept is added to the management technology, and the manage system is submitted with the wireless frequency spectrum resources space, the resources grid, the available resources atlas. Also the corresponding lamination distributional management structure and the resource management database are constructed. The resources description system and the management structure submitted will become the theory concept foundation of the CR spectrum resources management technology.

Key words: cognitive radio; wireless spectrum resource management; resource space

飛速發(fā)展的無線通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)正面臨著一系列的障礙，例如迅速增長的帶寬需求(如單一網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求從幾兆赫茲增加到幾百兆赫茲)與高速業(yè)務(wù)的需求(如單用戶從幾兆比特每秒增加到幾百兆比特每秒)和有限的頻譜資源之間存在著固有的矛盾；例如多種制式(如移動通信有3G/E3G/4G)異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)(無線局域網(wǎng)/移動通信/無線接入)需要良好和諧的共存等等。

如何提高頻譜的利用率和保證不同異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，以滿足多種業(yè)務(wù)需求和更好的用戶體驗(yàn)已成為無線通信發(fā)展的必然趨勢和主要挑戰(zhàn)。

認(rèn)知無線電技術(shù)是應(yīng)提高頻譜利用率而生并被廣泛關(guān)注的技術(shù)。

認(rèn)知無線電(CR)的概念最早是由Joseph Mitola等在1999年提出的，它是軟件無線電技術(shù)的演化，是一種新的智能無線通信技術(shù)。它可以感知到無線電傳輸?shù)沫h(huán)境特征，并通過無線電知識描述語言與通信系統(tǒng)進(jìn)行智能交流，對無線環(huán)境分析、理解和判斷，自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的通信參數(shù)，在不影響授權(quán)用戶通信的前提下，智能地利用空閑的頻譜為認(rèn)知用戶提供隨時隨地、高可能性的接入，極大地提高了頻譜利用率。

認(rèn)知無線電概念的提出引起了通信界的廣泛關(guān)注，無線業(yè)界普遍認(rèn)為它是解決無線頻譜資源低利用率問題的最佳方案，將成為下一波有沖擊性的浪潮。

利用認(rèn)知無線電技術(shù)，可使沒有頻率使用許可的用戶在對法定授權(quán)用戶不產(chǎn)生影響的前提下，來使用已分配的頻段，從而更高效地對無線頻譜資源加以利用。這種特性使得認(rèn)知技術(shù)成為緩解日益緊張的頻譜資源壓力的有效方法之一。

認(rèn)知無線電技術(shù)本質(zhì)上是一種智能的利用頻譜資源的方法，它通過感知能力探測并獲得可用的頻譜資源，對這些資源進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，然后分配給無線用戶進(jìn)行優(yōu)化的使用，從而獲得高性能的頻譜利用率。因此可以說，認(rèn)知無線電通信的過程是圍繞著對頻譜資源的高效管理和利用開展和進(jìn)行的，對無線頻譜資源管理技術(shù)的研究是探索認(rèn)知通信領(lǐng)域中的關(guān)鍵組成和重要分支。在認(rèn)知環(huán)形結(jié)構(gòu)(CC)中，對資源的管理和分配控制是非常關(guān)鍵的一環(huán)。只有在良好的管理體系指導(dǎo)下，才能對頻譜資源進(jìn)行最佳的使用。

1 無線頻譜環(huán)境資源的描述

認(rèn)知無線電技術(shù)是對無線頻譜資源的利用，因此認(rèn)知無線電技術(shù)領(lǐng)域中接受管理的主體就是無線頻譜資源。為了能夠?qū)︻l譜資源形成更高效更優(yōu)化的利用，首先就需要對其進(jìn)行透徹的分析，考察它們的特征指標(biāo)和狀態(tài)參數(shù)，這樣才能形成更好的選取關(guān)系。

在以往的研究中，針對頻譜感知獲得的環(huán)境特征已經(jīng)形成了一些描述參數(shù)，從而從多個側(cè)面構(gòu)建了針對資源可用性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

比較典型和傳統(tǒng)的方式是以干擾溫度作為衡量頻譜性質(zhì)的參量，Simon Haykin在文獻(xiàn)[1]中給出了干擾溫度的定義以及對它進(jìn)行估計(jì)的方法，并把它作為衡量頻譜空洞可用與否的指標(biāo)。

除此之外還有許多類似方面的文獻(xiàn)和研究成果，例如文獻(xiàn)[2]提出了一種頻譜容量估計(jì)的方法，這種方法是考慮帶寬和允許的傳輸功率以及它們之間的內(nèi)在關(guān)系；文獻(xiàn)[3]用對自回歸系數(shù)、動態(tài)噪聲、測量噪聲等分析狀態(tài)空間模型，并選擇合適的信道跟蹤策略，從而獲取信道狀態(tài)信息。

然而，這些研究和分析所針對的參數(shù)僅僅局限于對無線頻譜資源的局部描述，只對無線頻譜資源的單一性能特征或者極少的幾項(xiàng)性能特征進(jìn)行刻畫。因此，所涉及的資源量無法對無線頻譜資源的整體特性或者相對比較全面的特性進(jìn)行描述，從而在認(rèn)知無線電資源管理中將只能依靠局部資源特征針對無線頻譜資源進(jìn)行分析和管理，對資源的分配也只能獲得片面性能的提升，為資源的管理與選取留下隱患。

以應(yīng)用最為廣泛的干擾溫度為例，系統(tǒng)所考察的對象是某個區(qū)域內(nèi)部的干擾溫度值，它是一種等同于信號強(qiáng)度或者功率譜密度的概念，僅能夠反映頻譜環(huán)境隨時間的變化，可以看作是一種時頻關(guān)系的體現(xiàn)。同時，如果利用文獻(xiàn)[1]所述的多窗譜估計(jì)聯(lián)合奇異值分解(MTM-SVD)方法進(jìn)行干擾溫度估計(jì)，那么得到的將會是一個個區(qū)域內(nèi)統(tǒng)一的強(qiáng)度體現(xiàn)，如圖1所示的某個時間點(diǎn)的干擾溫度估計(jì)結(jié)果。

對于頻譜資源的再次利用而言，圖1中表示的結(jié)果在空間位置上被區(qū)域統(tǒng)一化，使得判決可利用的資源也在空間上被生硬分割，隱形地喪失了許多可用資源。

如果能夠在原有干擾溫度的基礎(chǔ)上，引入相應(yīng)的空間位置因素，通過改進(jìn)估計(jì)方法，就能夠獲得如圖2所示的干擾溫度估計(jì)結(jié)果?？梢钥吹?，此時平滑的空間變化取代了原來結(jié)果中的區(qū)域階躍變化，使得用來評判頻譜資源可用與否的干擾溫度從時頻的特征變?yōu)榭諘r頻共同作用的特征。

從上面的例子可以看到，增加了空間度量特征的干擾溫度與原始干擾溫度相比，豐富了資源的描述特征，在原有基礎(chǔ)上引入了空間坐標(biāo)特征，也使得判決可用資源的空間區(qū)域更加精確，對資源的再次利用更加高效?；谶@種思想，如果能夠引入更多的特征因素，讓它們共同描述無線頻譜資源，那么對于資源管理層面而言，對環(huán)境和資源的認(rèn)識更加客觀和完整，就能夠更確切地把握無線頻譜資源的本質(zhì)特征，也能夠更優(yōu)化地對其進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓芾砗屠谩?/p>

2 頻譜資源空間及其概念體系

獲取頻譜資源特征之后，認(rèn)知無線電應(yīng)該根據(jù)用戶要求，為其通信傳輸選擇合適的運(yùn)行頻段資源。文獻(xiàn)[4]在假設(shè)所有信道具有相似信道容量前提下，基于公平性和通信成本提出5種頻譜選擇規(guī)則。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于SNR的信道跳躍協(xié)議用于選擇質(zhì)量最好的信道。文獻(xiàn)[6]提出在某一特定頻段上的頻譜切換數(shù)量可以用來輔助頻譜分配的決策。這些研究是基于對用戶某個或者幾個性能需求進(jìn)行選擇資源的。

針對上述的比較完整的包含多種特征參數(shù)的無線頻譜資源描述，在進(jìn)行具體衡量時，需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建一種更加完備的結(jié)構(gòu)和方法來決定資源的可利用程度。

為了將上述對無線資源不同角度的多種特征描述進(jìn)行有機(jī)的統(tǒng)一和組合，可以利用數(shù)學(xué)上的空間概念來進(jìn)行表述，利用多維坐標(biāo)系來構(gòu)建無線頻譜資源空間的數(shù)學(xué)模型并加以研究。

從不同角度和不同層面考察無線頻譜資源可以獲得多種描述資源特征參數(shù)，將這些特征參數(shù)作為元素個體，并對各個元素進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義和明確表征。然后以這些數(shù)學(xué)表示的特征參數(shù)元素為考察量，并賦予坐標(biāo)維度的概念，那么就構(gòu)成了多維表示的頻譜空間。

資源空間是用數(shù)學(xué)語言描述的包含眾多特征參數(shù)元素的科學(xué)概念。譬如如果僅考察頻譜資源在時間、頻率、干擾溫度3個特征參數(shù)之間的關(guān)系，并分別以它們?yōu)閰⒖甲鴺?biāo)，可以形成一個簡單的僅具有3個維度的空間模型，如圖3所示。當(dāng)考察的特征參數(shù)有n 種時，即可形成n 維的資源空間表示。

在分析各個特征參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，并將它們數(shù)學(xué)的表示成函數(shù)關(guān)系時，頻譜資源空間也可以被看作是n 維函數(shù)或函數(shù)組。這樣設(shè)定的函數(shù)關(guān)系在多個維度上是連續(xù)的，但是在無線資源的管理中，為了便于記錄和衡量，需要將它們進(jìn)行離散分割，例如時間變化將根據(jù)采樣間隔或者時間分辨率進(jìn)行離散。那么上述的空間從各個維度都經(jīng)過離散之后，就會形成一種網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，這就可以稱為頻譜網(wǎng)格。頻譜網(wǎng)格是為了構(gòu)建可管理的基本資源單元，在空域、時域、頻域等多個維度上都對頻譜資源空間進(jìn)行離散化后的結(jié)構(gòu)和表征方法的描述。

在認(rèn)知無線電系統(tǒng)對無線頻譜資源進(jìn)行管理，并對具體的認(rèn)知系統(tǒng)用戶分配資源時，針對用戶的不同需求，資源空間中適合用戶的資源也不盡相同，因此就需要針對不同的用戶需求構(gòu)建特定的可用資源集合。面對使用空間體系描述的無線頻譜資源，用戶的實(shí)際需求需要具備和資源空間的映射關(guān)系，才能成為在資源空間中的具體衡量指標(biāo)。在衡量資源的可用性時，根據(jù)用戶需求映射的衡量標(biāo)準(zhǔn)來判斷資源網(wǎng)格中各個離散化的資源個體，從而決定這個頻譜資源單元是否可用。那么這些根據(jù)用戶需求映射標(biāo)準(zhǔn)形成的資源網(wǎng)格中的可用資源集合，即可被稱為資源圖譜。

這樣，從頻譜資源元素到頻譜資源空間，到頻譜資源網(wǎng)格，到頻譜資源圖譜，就能夠形成了面向無線資源管理的數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)和理論概念基礎(chǔ)，如圖4所示。

3 無線頻譜資源管理結(jié)構(gòu)

無線資源管理體系包括兩個方面，一是對無線資源的表示，二是實(shí)現(xiàn)資源管理的結(jié)構(gòu)。前者在上述的資源空間中已經(jīng)說明，在此將分析管理層面的結(jié)構(gòu)問題。

針對資源管理解決方案的研究也是熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[7]提出了一種利用集中單元控制頻譜分配和接入過程的方法，網(wǎng)絡(luò)中的每個分布式節(jié)點(diǎn)都把自己感知的信息匯集到集中控制單元，并由它進(jìn)行頻譜分配。文獻(xiàn)[8]給出了不能構(gòu)建集中結(jié)構(gòu)時的分布解決方案，每個分布式節(jié)點(diǎn)都參加頻譜分配并由節(jié)點(diǎn)自己決定頻譜接入。合作式頻譜共享策略考慮節(jié)點(diǎn)的行為對其他節(jié)點(diǎn)的影響，而非合作式的策略[9]僅僅考慮自己節(jié)點(diǎn)的行為。Menon討論了在合作式的環(huán)境下，Overlay頻譜共享和Underlay頻譜共享方案的效果[10]。從實(shí)用性和整體的角度上而言，分布式管理方式具有較多的優(yōu)勢，將它與前述的資源空間體系結(jié)合，即形成如下的管理結(jié)構(gòu)。

在認(rèn)知無線電通信系統(tǒng)中，使用無線頻譜資源的設(shè)備可以分布在地面上，也可以在空中，也可以在地下。當(dāng)任一用戶處于任一空間位置時，它認(rèn)知到的頻譜資源的使用情況是不一樣的。它可能感知到地面設(shè)備發(fā)射的信號，也可以感知到空中飛行器發(fā)射的信號，也可以感知到衛(wèi)星或深空探測器發(fā)射的信號。由于不同地點(diǎn)的發(fā)射設(shè)備的功率、天線的方向性、帶寬、運(yùn)動特性、動態(tài)行為可能各不相同。為了進(jìn)行有效的管理，需將所有可能使用無線頻譜資源按照物理空間和網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行分割，形成頻譜管理的網(wǎng)格，即如圖5所示的圍繞地球的一層分割點(diǎn)。

為了對頻譜資源空間進(jìn)行管理，以及對管理網(wǎng)格進(jìn)行必要的維護(hù)更新，可分層分級設(shè)置傳感器。可以獨(dú)立的設(shè)置傳感器網(wǎng)格，也可以與應(yīng)用系統(tǒng)共址設(shè)置。

分層分布式數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行資源管理的有效途徑，將上述的資源管理網(wǎng)格及其對應(yīng)的可用資源圖譜等數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，分別存儲在不同層次的數(shù)據(jù)庫中，最低層的數(shù)據(jù)庫可以管理若干個資源單元，第n 層的數(shù)據(jù)庫管理若干個第n -1層的數(shù)據(jù)庫。當(dāng)一個用戶在運(yùn)動或者變化過程中需要穿越不同層次的資源管理網(wǎng)格時，由多個層次的數(shù)據(jù)庫聯(lián)合為其服務(wù)，如圖6所示。

數(shù)據(jù)庫的方式是進(jìn)行資源管理的有效途徑，利用成熟的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，可以將上述的資源管理網(wǎng)格和可用資源圖譜等數(shù)據(jù)有效存儲和管理，也可以指導(dǎo)進(jìn)行信息的更新和索引。根據(jù)用戶的類型，與資源數(shù)據(jù)庫的交流方式可以不同?？梢岳矛F(xiàn)有的公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或Internet網(wǎng)絡(luò)，訪問資源數(shù)據(jù)庫；也可以利用公共資源控制信道提供資源服務(wù)。

在數(shù)據(jù)庫的信息交流中，公共控制信道可以作為比較適合的通信途徑。非授權(quán)用戶可以通過該信道獲取資源信息。公共資源控制信道根據(jù)服務(wù)的用戶類型、用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)類別等優(yōu)化配置。

在認(rèn)知環(huán)境中，公共控制信道無法成為固定頻率的信道，它應(yīng)該也是屬于非授權(quán)使用者之一，隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生變化。這樣在公共控制信道兩端的信息交流點(diǎn)需要考慮如何進(jìn)行頻點(diǎn)的協(xié)同約定。實(shí)現(xiàn)的方法可以借鑒循環(huán)定位、循環(huán)不定位、循環(huán)分散定位、表明信道的循環(huán)不定位等動態(tài)信道分配算法。

頻譜資源管理的數(shù)據(jù)庫將包含了若干個子庫，如圖7所示。數(shù)據(jù)庫通過對資源空間的感知信息的分析處理，對頻譜的使用狀況做出詳實(shí)描述，根據(jù)非授權(quán)用戶的需求，形成資源圖譜。各個子庫之間可以產(chǎn)生如下關(guān)系：頻譜原始使用狀態(tài)子庫為原始頻譜統(tǒng)計(jì)子庫提供服務(wù)，頻譜整體使用狀態(tài)子庫為整體頻譜統(tǒng)計(jì)子庫提供服務(wù)，而空洞分析子庫、空洞等級標(biāo)示子庫、功率梯度子庫等子庫以及原始頻譜統(tǒng)計(jì)子庫和整體頻譜統(tǒng)計(jì)子庫都是為管理中心服務(wù)的。

4 結(jié)束語

認(rèn)知無線電技術(shù)是為了解決頻譜資源匱乏問題而提出的，其核心思想就是對無線頻譜資源的深度利用，因此可以說，認(rèn)知無線電技術(shù)就是圍繞無線頻譜資源的管理與利用而開展的。

良好的管理結(jié)構(gòu)與方案能夠帶來整個系統(tǒng)的性能提升。隨著認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展與逐步應(yīng)用，資源管理技術(shù)的重要性也愈發(fā)突出，因而對其進(jìn)行研究與討論有很重要的意義。上述的幾點(diǎn)內(nèi)容是筆者在對認(rèn)知通信技術(shù)研究過程中發(fā)現(xiàn)的問題，一方面這些想法還處于初步階段，需要更深入的研究豐富，另一方面以上幾點(diǎn)僅僅是認(rèn)知科學(xué)研究的一個側(cè)面，對于資源管理領(lǐng)域的研究需要更多的內(nèi)容支撐。

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收稿日期：2009-01-04

劉勤，西安電子科技大學(xué)信息科學(xué)研究所綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)檎J(rèn)知無線電、軟件無線電、移動通信等。先后主持和參加了7項(xiàng)基金項(xiàng)目，已發(fā)表論文10余篇，相關(guān)專利7項(xiàng)。