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1、认知无线电系统中频谱分配综述总结2009 年 第 3 期电信 1101 臧瑞真（一）、摘要：问题：现有的频谱利用率效率很低需要改善。分析：通过分析频谱分配的特点对频 谱分配技术进行分类，根据频谱分配原则选择合适的频谱分配方式。解决方法：根据频谱分配问题 建立合适的频谱分配模型。（二）、提出问题：频谱资源的匮乏和目前固定分配频谱利用率较低不能满足用户的需求。（三）、分析问题：（1）基本途径：1、提高频谱利用率，将已授权用户的频谱资源充分利用，减少浪费。2、提高系 统通信效率，将授权频谱资源和其他资源综合优化分配，进而提高利用率。（2）频谱分配技术的分类按 性 质分 分类 类分 类按 分 配 方
2、式 分 类静态频谱分配：定义优点缺点结论指按固定的频谱分配表将频谱分配给 系统内各用户，用户不能按自身需要 改变可获的频谱资源。简单、系统开销小分配不灵活在实际应用 中，按不同 性质分类的 频谱分配技 术往往混合 使用，例如, 一个频谱分 配算法可能 采用合作的 分布式动态 频谱分配方 式。动态频谱分 配指系统：指系统能够通过一个自适应策略有效 的利用频谱资源，满足不同用户对频 谱资源的需求，增大系统容量，提高 频谱利用率。自适应策略、增 大系统容量、提 高频谱利用率?不稳定混合式频谱 分配：静态频谱分配与动态频谱分配相结合 的方式，既保持了静态分配的特点， 又不失灵活性保持了静态分 配特点不
3、失灵 活性?复杂、系统 开销大;按网络结构集中式频谱 分配：网络小区中存在一个中心实体（如基 站等），完成对小区各用户的频谱分 配。区别与联系有中心实体都属于合 作式分配分布式频谱 分配：网络小区米用分布式结构，无中心控 制节点，小区中每一个用户都参与可 用频谱的检测和频谱的分配工作，频 谱分配结果与节点采用的策略有关。无中心控制节点也存在合 作式的频 谱分配按合作方式合作式频谱 分配：小区中的各节点相互合作，节点频谱 分配策略不仅考虑本节点的应用需 求，还考虑此策略对其他用户造成的 影响。频谱利用率高非合作式频 谱分配：节点的频谱分配策略只考虑节点本身 的需要，这类用户可定义为自私用户。 在
4、这类分配方式下，系统的频谱利用 率较之合作式分配方式会有所下降。自私用户、频谱利用率低（3）认知无线电频谱分配的原则：1、保证灵活性。目的：增强频谱退避和切换功能。2、提高系统性能。目的：使系统性能的改善或逼近与最优状态。3、减小信令开销和计算量：频谱分配算法的设计必须考虑用户间及用户与中心控制器之间控制信 令的复杂程度，分布于用户或者中心控制器上的算法计算量也是需要考虑的一个问题。（四）、解决方法：认知无线电中的频谱分配模型-基于经典的数学理论以及微观经济学理论（1）基于图论的频谱分配模型基于图论的分配模型中规定了空闲矩阵、效用矩阵、干扰矩阵和分配矩阵四个基本矩阵 四个基本模型，在认知无线电
5、系统的频谱分配研究中，将认知用户组成的网络拓朴结构 抽象成图，来表示和分析认知用户与主用户之间的使用频谱的关系，进而提高频谱利用 率。同1駄知无红电乐统m圍连嚓型图1是一个认知无线电系统的网络拓扑结构图例。 工作原理：图中的每一个顶点代表一个无线用户， 每一条边表示一对顶点间存在冲突 或者干扰。如果图中的某两个顶点有一条边连接，则假定这两个节点不能同时使用相同 的频谱。另外，将每一个顶点与一个集合相关联， 这个集合代表该顶点所在区域位置 可以使用的频谱资源。 由于每个顶点地理位置不同， 因而不同顶点所关联的资源集合 是不同的。图例解析：图1是一个认知无线电系统的网络拓扑结构图例。 图中的五个顶
6、点 15 代 表五个不同的认知用户，A、B、C为三个不同的信道，IIV为四个主用户，他们使用的 授权频段分别是信道A、信道B、信道C和信道C。图1中圆圈表明了主用户的覆盖范围, 信道X代表主用户的工作频段，可知主用户覆盖范围内的认知用户的关联频段集合中都 不包括主用户的工作频段。例如节点2位于授权用户IV （使用工作频段C）的干扰范围内, 信道C对节点2是不可用的。每个节点不同的关联信道集合表明了用户可用的频段集合。 例如，在图1中顶点1的可用信道是（B，C），顶点2的是（A，B）。补充:1、认知无线电用户使用授权频段的前提是：如果当前信道被主用户使用，则为了 避免对主用户的干扰，这个信道不能
7、被附近的认知用户使用。2、主用户工作在不同的功率下，其通信覆盖范围不同。在主用户的覆盖区域内如果存 在使用相同频段的认知用户，就必然会对主用户带来不可忍受的干扰，导致系统性能的 急剧下降。因此从干扰规避上考虑，在主用户IIV的干扰范围内的认知无线电用户不 能使用相同频率。（2）基于博弈论的频谱分配模型 博弈论模型适用于分析认知无线电系统各用户竞争频谱的分布式行为， 各用户根据自 己获得的信息单独进行决策。假设1、用信干比描述用户所收到的干扰情况，信干比方程如下：c rp “ GI I Ij 即MM（k.j）Pi是发射机i的发射功率，Gij是发射机i和接收机j之间的链路增益，对 上式来讲i和j是
8、属于同一对节点中的发射机和接收机。假设2、I （k, j）是表示由节点k到节点j的干扰方程，定义为：如果k与j相同的信道上传输其他在以上两个假设的条件下：信道分配问题可以建模成一个博弈的输出，在此模型中，博弈这是认知用户，他们的行动是对传输信道的选择并且他们的效用与信道质量相联系。信道分配问题的博弈论数学描述的一般形式如下!X；S!（3）N是博弈者的有限集是相对于博弈者i的策略集，定义S=XSieN是策略空间，贝VUi:S f i是效用函数集。纳什i：|/ 1 - -: -| 、（3）基于定价拍卖的频谱分配模型1、利用微观经济学中定价拍卖原理而制定的无线电资源分配机制在近年来得到广泛的 研究，
9、被证明是认知无线电网络的频谱分配问题的有效解决方法。2、在这种基于拍卖的频谱分配模型中， 网络结构一般采用集中式结构。定价拍卖的频 谱分配模型通过最大化认知无线电网络收益等原贝确定目标函数。例如，采用最大化系 统吞吐量原贝将某段频谱分配给在其上吞吐量拍卖值最大的用户， 利用效用公平原贝 和时间公平原贝保证投标者在竞争频谱资源过程中的效用公平和时间公平等。3、由于在频谱分配过程中引入了定价拍卖原理，认知无线电用户即投标者， 原贝上都 是“自私的”、“理性的”，特点：a）非合作的用户行为。b）分配算法需要合理的 执行时间和合理的计算开销。c）信令开销小。（4）干扰温度模型1 、干扰温度的概念与噪声
10、温度的概念等价，它是干扰的功率及其相应带宽的一个量度。干扰温度的单位为开尔文（Kelvin），定义如下：咒严其中 表示中心频率 为带宽为B （单位为Hz）范围内的平均干扰功率（单位为W），k为波尔兹曼常数，具体取值为1.38X 10-23 （J/K）。2、对于某固定区域，FCC应确定干扰温度的极限，作为给定区域给定频段上的可容 忍干扰大小的上限。任何使用该频段的认知无线电用户必须保证其信号的发射不会使得 该频段的干扰温度超过。然而在实际环境中对于信号与干扰的区分、中心频率fc以 及带宽B等问题均存在不确定性，有研究者定义了以下两种干扰模型。a）理想模型：包括背景干扰、其它认知无线电用户信号传输
11、对认知无线电用户的干扰, 在此框架下的干扰温度极限考虑的是授权用户带宽。b）通用模型：包括背景干扰、来自授权用户信号、来自其它认知无线电用户信号传 输对认知无线电用户的干扰，在此框架下的干扰温度极限考虑的是认知无线电用户带综述目的： 通过对频谱分配技术的研究，提高频谱利用率，解决日益增长的无线通信需 求与有限频谱资源之间的矛盾。综述优点：本综述详细的对当前的频谱分配方式进行了分类，同时还分析了常见的图论 模型、博弈论模型、定价拍卖模型和干扰温度模型等四种常见的认知无线电模型。语言 通俗易懂，简单明了。综述缺点：本文的一些学术的概念、要领没有说明来源，权威性令人质疑。在介绍一些 概念的特点时对其实用性介绍不太明确，例如只说了动态分配方式和混合分配方式的优 点，没有说其优点，有些片面。还有就是缺乏实例，有的只是泛泛的提了一下，没有说 服力。
