認(rèn)知無(wú)線電中的頻譜退讓技術(shù)﹡

王 群， 侯曉赟﹡﹡， 王東明

（①南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；②東南大學(xué) 移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著無(wú)線電及其通信技術(shù)的飛速發(fā)展，有限的頻譜資源變得越發(fā)緊缺。但另一方面，據(jù)有關(guān)部門(mén)研究表明，當(dāng)前已被分配的絕大部分頻譜資源利用率較低，造成了大量寶貴頻譜資源的浪費(fèi)。因此，頻譜利用率低下成了阻礙無(wú)線通信發(fā)展的一個(gè)重要因素。為解決頻譜資源的有效利用問(wèn)題，認(rèn)知無(wú)線電（CR，Cognitive Radio）已成為目前無(wú)線通信領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)[1]，從而極大地緩解了頻譜資源緊張的現(xiàn)狀。

認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)（比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線信號(hào)的變化，以達(dá)到任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都高度可靠通信并有效利用頻譜資源的目的[2]。在認(rèn)知無(wú)線電中，認(rèn)知用戶也稱為次用戶(SU，Secondary User)，只有在主用戶(PU，Primary User)空閑的情況下，才能暫時(shí)地使用未被主用戶使用的頻段。因此，為了能夠在保障主用戶通信質(zhì)量的同時(shí)滿足次用戶的通信需求，頻譜退讓技術(shù)在認(rèn)知無(wú)線電中扮演著非常重要的角色[3]。但是，目前有關(guān)認(rèn)知無(wú)線電中頻譜退讓技術(shù)的研究尚未深入，這也正說(shuō)明了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究的重要性和必要性。

1 頻譜退讓的概念

在 CR網(wǎng)絡(luò)中，主用戶的優(yōu)先級(jí)權(quán)限高于次用戶，為了能夠首先保障主用戶的通信質(zhì)量，當(dāng)主用戶有新的傳輸業(yè)務(wù)而出現(xiàn)在其授權(quán)頻段時(shí)，次用戶必須盡快騰空該頻段，但為了兼顧次用戶業(yè)務(wù)的連續(xù)性，它需要避讓到其他空閑頻段繼續(xù)進(jìn)行通信；此外，若次用戶所占用頻段的通信鏈路質(zhì)量變差不能滿足其當(dāng)前業(yè)務(wù)需求時(shí)，次用戶也希望退讓出當(dāng)前信道并遷移到其它更適合的空閑頻段上繼續(xù)傳輸，這就是頻譜退讓[4]（也稱作頻譜切換）。

圖1所示為頻譜退讓的流程圖，頻譜退讓過(guò)程是一個(gè)循環(huán)反復(fù)的過(guò)程，它主要包括兩個(gè)階段：頻譜感知階段和鏈路修復(fù)階段[5]。在頻譜感知階段，次用戶觀測(cè)周?chē)h(huán)境，分析是否有退讓觸發(fā)事件發(fā)生，一旦次用戶決定執(zhí)行退讓程序，就自然地過(guò)渡到鏈路修復(fù)階段。在鏈路修復(fù)階段，次用戶空出占用的信道，然后接入其它可用空閑信道以恢復(fù)傳輸鏈路。根據(jù)次用戶退讓到目標(biāo)空閑信道的時(shí)間不同，頻譜退讓可以分為主動(dòng)頻譜退讓和被動(dòng)頻譜退讓[6]。在主動(dòng)頻譜退讓中，次用戶預(yù)測(cè)主用戶出現(xiàn)的時(shí)間，在主用戶到達(dá)之前就退讓到目標(biāo)信道；在被動(dòng)頻譜退讓中，次用戶只有在主用戶出現(xiàn)后才會(huì)執(zhí)行退讓程序。一旦傳輸鏈路恢復(fù)，系統(tǒng)又會(huì)重新進(jìn)入到感知階段，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)周期。

圖1 頻譜退讓流程[5]

2 頻譜退讓的策略

通常，退讓目標(biāo)信道的選擇可以在退讓事件觸發(fā)之前或之后，根據(jù)目標(biāo)信道選擇方法的不同，現(xiàn)有的頻譜退讓策略大致可以分為兩類(lèi)[7]：

（1）主動(dòng)頻譜退讓策略[8]，是指次用戶在業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，不斷地對(duì)周?chē)诺罓顩r進(jìn)行感知，將檢測(cè)到的所有空閑信道匯集成一個(gè)備用信道列表（BCL，Backup Channel List），在退讓事件觸發(fā)前或后，直接從當(dāng)前信道退出切換到備用信道列表中的空閑信道上去，如圖2所示。

圖2 主動(dòng)頻譜退讓策略示意[10]

（2）被動(dòng)頻譜退讓策略[9]，是指次用戶只有在退讓事件觸發(fā)后，才會(huì)暫停當(dāng)前業(yè)務(wù)，對(duì)周?chē)男诺罓顩r進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，根據(jù)即時(shí)感知的結(jié)果，將其作為目標(biāo)信道進(jìn)行退讓，如圖3所示。

圖3 被動(dòng)頻譜退讓策略示意[10]

就以上兩種策略而言，前者在很大程度上縮短了頻譜退讓的時(shí)延，保證了業(yè)務(wù)的連續(xù)性，但需考慮所選備用信道的可用性[11]。后者雖然增加了感知時(shí)延，但與前者相比所選的目標(biāo)信道準(zhǔn)確度較高。因此，在退讓策略選擇時(shí)，應(yīng)該結(jié)合自身業(yè)務(wù)需求和信道狀況來(lái)綜合考慮。

3 目標(biāo)信道選擇算法

無(wú)論采用哪種頻譜退讓策略，所選目標(biāo)信道的好壞都將會(huì)對(duì)頻譜退讓的性能產(chǎn)生直接影響。目標(biāo)信道的選擇，最常用的做法是借助BCL，當(dāng)需要執(zhí)行退讓時(shí)，直接從 BCL中選取目標(biāo)信道。IEEE 802.22無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WRAN，Wireless Regional Area Network)標(biāo)準(zhǔn)正是采用了這種方法[12]。

基于此，針對(duì)主動(dòng)頻譜退讓策略，文獻(xiàn)[13]提出了一種使次用戶業(yè)務(wù)傳輸總時(shí)間最短的貪婪目標(biāo)信道選擇算法。文獻(xiàn)[14]提出一種基于信道空閑概率排序的頻譜切換算法，從而有效降低了頻譜退讓延時(shí)。但是，如果有多個(gè)次用戶在同一時(shí)間執(zhí)行退讓程序，以上算法都將會(huì)造成次用戶之間的碰撞，文獻(xiàn)[15]綜合考慮了各次用戶的業(yè)務(wù)量，分散各個(gè)信道的負(fù)載量，以避免多個(gè)次用戶競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)信道。然而，它們?cè)谶M(jìn)行目標(biāo)信道選擇時(shí)，均以優(yōu)化部分性能參數(shù)指標(biāo)后的結(jié)果作為參考依據(jù) ，并沒(méi)有綜合考慮各方面性能指標(biāo)參數(shù)。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于多屬性判決的兩級(jí)選擇機(jī)制，即首先在該候選集中通過(guò)對(duì)有利因素進(jìn)行加權(quán)排序，取前N個(gè)信道形成二級(jí)候選集，然后在二級(jí)候選集中依據(jù)不利因素加權(quán)，最小值所對(duì)應(yīng)的信道作為目標(biāo)退讓信道，從而選擇綜合性能高的目標(biāo)信道。因此，選擇目標(biāo)信道時(shí)，需要結(jié)合具體業(yè)務(wù)需求，綜合衡量各項(xiàng)性能指標(biāo)的權(quán)重，有針對(duì)性的對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，尋找最優(yōu)目標(biāo)信道，以提高系統(tǒng)整體性能。

4 結(jié)語(yǔ)

頻譜退讓技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電中極其重要的一項(xiàng)技術(shù)，能夠在保障主用戶通信質(zhì)量的前提下，滿足次用戶的通信需求。但是，與認(rèn)知無(wú)線電中的其它技術(shù)（如頻譜感知技術(shù)[17-18]等）相比，目前有關(guān)頻譜退讓技術(shù)的研究尚淺?？梢钥紤]從以下幾個(gè)方面對(duì)頻譜退讓技術(shù)展開(kāi)研究：①優(yōu)化目標(biāo)信道選擇算法，并結(jié)合信道模型來(lái)研究退讓過(guò)程中的性能參數(shù)；②針對(duì)主動(dòng)頻譜退讓策略和被動(dòng)頻譜退讓策略各自的特點(diǎn)，考慮在退讓過(guò)程中，加入各種動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)方法，使次用戶可以自適應(yīng)的選擇當(dāng)時(shí)最適合的策略。

[1] 白敏丹.基于認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)線通信研究現(xiàn)狀[J].通信技術(shù),2010,43(05):44-46,49.

[2] 周德全,李光輝.認(rèn)知無(wú)線電及其關(guān)鍵技術(shù)[J].通信技術(shù),2009,42(06):34-35,38.

[3] AKYILDIZ I F,LEE W Y,VURAN M C,et al.Next Generation/Dynamic Spectrum Access/Cognitive Radio Wireless Networks: a Survey[J]. Computer Networks,2006,50(13):2127-2159.

[4] 張忠起,許曉東.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜切換技術(shù)[J].移動(dòng)通信,2009(18):17-20.

[5] CHRISTIAN I,MOH S,CHUNG I,et al.Spectrum Mobility in Cognitive Radio Networks[J]. IEEE Communications Magazine,2012, 50(06):114-121.

[6] 鄭仕鏈,楊小牛.認(rèn)知無(wú)線電頻譜切換目標(biāo)信道訪問(wèn)機(jī)制[J].電子與信息學(xué)報(bào),2012,34(09):2213-2217.

[7] WANG Lichun, WANG Chungwei. Spectrum Handoff for Cognitive Radio Networks: Reactive-Sensing or Proactive-Sensing?[C]// IPCCC. Texas, USA: IEEE,2008:343-348.

[8] WANG Lichun, CHEN A. On the Performance of Spectrum Handoff for Link Maintenance in Cognitive Radio[C]// 3rdISWPC.Santorini, Greece: IEEE, 2008:670-674.

[9] WANG Chungwei, WANG Lichun, ADACHI F. Modeling and Analysis for Reactive-decision Spectrum Handoff in Cognitive Radio Networks[C]// Global Telecommunications Conference. Florida, USA: IEEE,2010:1-6.

[10] 陳俊杰,滕穎蕾,魏翼飛.基于頻譜預(yù)留的一類(lèi)頻譜切換改進(jìn)方法研究[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,26(02):6-10,14.

[11] MA Bin,XIE Xianzhong. Spectrum Handover Mechanism Based on Channel Scheduling in Cognitive Radio Networks[C]// ECWAC. Guangzhou, China: CCIS, 2011:408-413.

[12] KO G, FRANKLIN A A, YOU Sungjin, et al. Channel Management in IEEE 802.22 WRAN Systems[J]. IEEE Communications Magazine,2010, 48(09): 88-94.

[13] WANG Chungwei, WANG Lichun. Modeling and Analysis for Proactive-decision Spectrum Handoff in Cognitive Radio Networks[C]// ICC. Dresden,Germany:IEEE,2009:1-6.

[14] 楊曦,郭愛(ài)煌,張超,等.認(rèn)知無(wú)線電主動(dòng)切換的延時(shí)優(yōu)化[J].電子測(cè)量技術(shù),2009,32(09):11-14.

[15] WANG Lichun, WANG Chungwei, ADACHI F.Load-balancing Spectrum Decision for Cognitive Radio Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2011,29(04):757-769.

[16] 吳瓊,鮮永菊,徐昌彪,等.認(rèn)知無(wú)線電中基于多屬性判決的目標(biāo)切換信道選擇[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2011,47(27):158-160.

[17] 譚學(xué)治,姜靖,孫洪劍.認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)研究[J].信息安全與通信保密,2007(03):61-63.

[18] 孫競(jìng)超,曹慧.一種分階段頻譜感知算法的研究[J].信息安全與通信保密,2011(06):48-50.