Spectrum Allocation Simulator for Centralized Cognitive Radio Network.pdf

1、隨著消費電子和高速網(wǎng)絡(luò)對無線通信需求的增長，通信產(chǎn)業(yè)獲得進一步發(fā)展的良好機遇。無線服務(wù)必須提供更好的吞吐量、服務(wù)質(zhì)量和接入速度。基于不同標準的無線設(shè)備將越來越多。這種發(fā)展方向前景很廣闊，但也會帶來不少問題。這些問題包括頻譜資源不夠用，不同無線系統(tǒng)之間頻譜共享的困難等。但這些問題并不會給網(wǎng)絡(luò)運營方帶來實質(zhì)性的威脅，因為這些授權(quán)用戶擁有頻譜使用的優(yōu)先權(quán)，只有當授權(quán)用戶未使用時其他設(shè)備才能接入。因此需要盡早發(fā)現(xiàn)這些問題以便于通信新技術(shù)的平穩(wěn)發(fā)

2、展。
　　 過去100多年來無線電頻譜資源一直有著嚴格的控制和管理，導(dǎo)致接入無線頻譜受到很多限制。大部分的頻譜分配給授權(quán)用戶。只有功率極小的非授權(quán)用戶才能使用這些授權(quán)頻譜，稱之為襯墊式傳輸，比如超寬帶(UWB)。另一種頻譜共享方式：覆蓋式傳輸?shù)臋C會也很少，因為只有很小的一部分頻譜是可以開放接入的。開放頻譜的范圍已經(jīng)不大可能會增加，無線電管理部門不會輕易在短期內(nèi)做出調(diào)整。改變授權(quán)頻譜的狀態(tài)將面臨很大風險并帶來長期的隱患。各個管理機

3、構(gòu)，技術(shù)研發(fā)部門和運營商齊心協(xié)力才可能實現(xiàn)有效及時的部署。
　　 在整個頻譜中，未授權(quán)頻譜僅占很小一部分。過去幾十年中，使用這些頻譜資源的WLAN，WPAN，Wi-Fi和藍牙技術(shù)得到了較大發(fā)展，并取得了商業(yè)成功。這些標準的確立說明開放接入將有助于促使現(xiàn)有的頻譜管理機制向更靈活的方向轉(zhuǎn)化。接入的限制和延遲是新興無線設(shè)備發(fā)展的主要障礙。這些無線設(shè)備將明顯改善人們的健康、安全和工作環(huán)境并提高娛樂生活的質(zhì)量。目前的嚴格限制無疑會抑制不同

4、標準的無線設(shè)備的應(yīng)有增長勢頭。
　　 無線電頻譜是有限資源。其本質(zhì)是頻率介于3KHz和300GHz之間的電磁波。大部分無線通信系統(tǒng)需要充分的保護，避免不同系統(tǒng)之間的干擾。通常通過授權(quán)機制實現(xiàn)。因此大部分頻譜已授權(quán)給傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)和設(shè)備。但是使用這種固定的頻譜資源分配方式，會造成不同原因的頻譜資源浪費。比如：用于公共安全和軍事部門的頻譜很少使用。放眼整個頻譜系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)大部分的頻譜資源利用率不高。因此，傳統(tǒng)的頻譜管理機制需要

5、重新考慮以減少頻譜浪費，增加公共資源?，F(xiàn)有的機制無法處理現(xiàn)在以動態(tài)為特征的無線應(yīng)用?？梢哉f，“頻譜匱乏”和“頻譜資源耗盡”是由于不恰當?shù)念l譜管理所造成的人為危機。更嚴重的是：盡管最近的研究顯示了一些較成功的提高頻譜效率的技術(shù)，但頻譜資源需求的增長仍快于高效頻譜技術(shù)的發(fā)展，基于此，認知無線電(Cognitive Radio)技術(shù)獲得較多關(guān)注并被指將在未來通信系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。認知無線電是一種擁有感知環(huán)境學習并適應(yīng)環(huán)境能力的技術(shù)。認知無線

6、電網(wǎng)絡(luò)的目標是進一步發(fā)掘頻譜利用機會。
　　 本文開發(fā)了一種用于說明動態(tài)接入方法的認知無線電仿真器。在這個系統(tǒng)中，并不給無線電設(shè)置固定頻譜，而是允許用戶使用找到的任何空白頻譜進行機會接入。其本質(zhì)是一種動態(tài)頻譜接入方法(DSA)。動態(tài)方法具有充分利用空閑頻譜的能力。同時，開放頻譜也允許新的設(shè)備隨時加入。第一個例子說明了新用戶如何在原用戶周圍找到未占用頻譜。當然，有些頻譜是長期未占用的，而有些則僅在夜間不被占用。另外一些可能只有數(shù)分

7、鐘或數(shù)秒鐘的空閑頻譜時間。毋庸置疑，不同的應(yīng)用需要或長或短的頻譜空閑。本文的主要應(yīng)用是頻譜接入，其核心思想是授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶之間的頻譜共享。擁有頻譜授權(quán)的用戶稱為主用戶(PU)，擁有頻譜接入的最高優(yōu)先權(quán)。而次用戶(SU)僅當主用戶不工作時接入授權(quán)頻譜。一旦主用戶返回，次用戶就停止在該頻譜上傳輸。因此，次用戶必須具有檢測空閑頻譜的能力，重新配置的能力，以及檢測主用戶返回的能力。
　　 次用戶需要檢測空白頻譜，在空閑頻譜上傳輸并

8、確保不對主用戶造成干擾的認知能力。這樣就實現(xiàn)了一種主用戶占優(yōu)的主次用戶之間的頻譜共享。當然，襯墊式傳輸也是可以選擇的模式之一，它允許主次用戶同時傳輸，只要次用戶保證對主用戶造成的干擾在一定的限制之下。此外，認知無線電可以進一步識別空閑頻譜的模式以提高接入的效率。
　　 在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，信號處理的主要任務(wù)是完成頻譜感知和無顯著干擾的頻譜共享。認知無線電網(wǎng)絡(luò)的重要要求之一是可靠高效地感知頻譜。頻譜空洞(定義為分配給某授權(quán)用戶但在

9、特定時間地點未被使用的頻譜)，可以通過能量檢測能頻譜感知技術(shù)進行估計。當主用戶信號的先驗知識較少或完全未知時，能量檢測器是最優(yōu)的。實際上，能量檢測算法特別適用于寬帶頻譜感知，它可以通過掃描寬帶信號額功率譜密度同時感知很多子波段。譜分析可以通過周期圖完成。在頻譜共享中，為了獲得更高的頻譜效率，可采用多個次用戶在同一頻段傳輸?shù)亩嘟尤爰夹g(shù)。有很多技術(shù)可以實現(xiàn)多用戶的正交接入：頻分復(fù)用，碼分多址，時分復(fù)用及正交碼分復(fù)用等。
　　 本文主

10、要研究了集中式系統(tǒng)，所有的判決都在接入點或基站做出。仿真器用matlab語言在通用計算機上實現(xiàn)。為了機會使用頻譜空洞，本仿真器允許次用戶網(wǎng)絡(luò)和主用戶網(wǎng)絡(luò)共存。算法的第一步是構(gòu)建主用戶網(wǎng)絡(luò)，它包含四個信道，所有的主用戶信號采用頻分復(fù)用，最終所有的信號通過一個鏈路進行傳輸。研究結(jié)果表明：給定的信道在某個用戶無數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)頻譜空洞。頻譜空洞的可用性用如下表達式聲明：'ENTER PRIMARYUSER Y/N'(Y=yes and N＝no

11、；選擇N表示存在頻譜空洞)?？臻e信道可用代表系統(tǒng)噪聲的小尖峰來識別。接下次用戶占用可用的空閑信道。其次，如果所有主用戶信道都被占用，則系統(tǒng)提示(‘a(chǎn)ll user slots in use.Try again later，’)。可用信道清空操作產(chǎn)生頻譜空洞。如果選擇“清空信道1”，則系統(tǒng)提示('channel1 is emptied')，并顯示相應(yīng)的頻譜圖，其譜峰降低，表示信道已被清空。另外，系統(tǒng)也可以增加噪聲強度(以分貝為單位)和衰減