認知無線網絡中的頻譜切換技術

張忠起　許曉東

【摘要】針對頻譜切換的研究現狀,文章介紹了頻譜切換的場景、分類以及對認知無線網絡物理層、媒體接入控制層(MAC)的需求,總結了頻譜切換技術的最新研究進展,對目前的各種方案進行了比較分析,并提出了未來面臨的挑戰及研究方向。

【關鍵詞】頻譜切換 動態頻譜管理 認知無線電 認知無線網絡 QoS

1 引言

面對頻譜資源高度緊缺這一嚴峻現狀,認知無線電技術(CR,Cognitive Radio)能夠跟蹤頻譜變化,并根據無線環境自適應調整其工作參數,有效地提高頻譜利用率。而基于CR構建認知無線網絡(CRN,CR Network)是CR邁向實際應用的重要一步[1]。

空閑頻譜的空時變化特性以及各種業務的不同QoS要求是CRN目前面臨的兩個主要問題,而動態頻譜管理[2]是解決這些問題最核心的技術。目前關于動態頻譜管理的研究主要分為頻譜檢測、頻譜判決、頻譜共享和頻譜移動性四個方面[1]。

頻譜檢測進行空閑頻譜的實時發掘,頻譜判決為認知用戶選擇合適的空閑頻譜提供依據,頻譜共享解決多個用戶同時接入空閑頻譜的問題,而頻譜移動性即頻譜切換則可使用戶通過更新工作頻譜保持與CRN的持續良好連接。頻譜檢測、判決和共享為認知用戶高效使用空閑頻譜提供了必要的基礎,這三方面的研究工作開展較早。而為了滿足用戶無縫、泛在通信的需求并保障各種業務的QoS要求,從本質上實現對頻譜的動態管理與使用,頻譜切換是尤為重要的一環。目前關于這方面的研究剛剛展開,有許多工作亟待完成。

本文針對頻譜切換技術目前的研究現狀及重要進展進行了分析和討論,并對其下一步的研究提出了建議。

2 頻譜切換的概念

在CRN中,用戶包括授權用戶與認知用戶:前者享有頻譜的優先使用權,后者則動態跟蹤前者的頻譜占用情況,在其未使用的空閑頻譜上通信。當授權用戶重新使用頻譜時,認知用戶需將頻譜歸還給其使用。為了保證認知用戶通信的持續性和業務QoS,它可以在讓出頻譜的同時平滑轉移到其他空閑頻段繼續通信;另外,當認知用戶所占用頻譜不能滿足其業務需求時,也可以轉移到其他更合適的空閑頻譜,即為頻譜切換。

認知用戶的鏈路保持概率以及切換時延是關系頻譜切換的兩個最重要的參數。目前關于頻譜切換的研究主要考慮以下三種方案[3,4]:

(1)暫停數據傳輸并駐留在原有頻譜上,待授權用戶通信完畢后繼續使用該頻譜;

(2)建立一個頻譜切換候選集列表,當需要進行切換時從列表中選擇最合適的頻譜;

(3)當需要進行切換時,立即進行頻譜檢測,選擇當前最合適的頻譜進行切換。

方案(1)操作簡單,但浪費了認知用戶的傳輸時間,帶來吞吐量的損失;方案(2)可以有效保持通信的連續性,但創建精確的列表需要知曉授權用戶的業務模型,實現較復雜;方案(3)中認知用戶切換時需要暫停業務發送以進行頻譜檢測,引起業務中斷。對于這三種方案的選擇,需要考慮實際需求以及網絡負載等因素。

圖1 頻譜切換示意圖

3 頻譜切換對CRN的需求

3.1 對物理層的需求

認知用戶需要對寬帶頻譜進行檢測,良好的頻譜檢測算法可以有效提高頻譜切換的準確性并降低切換時延。頻譜切換要求檢測算法運行時間要盡量短,檢測精度要盡可能高。這兩個要求一般很難同時滿足,在設計算法時需要折中考慮。同時,協作的頻譜檢測算法需要協作的物理層傳輸支持。

頻譜劃分粒度是另一個需要考慮的因素。頻譜切換需要考慮不同系統帶寬,以實現頻譜的充分靈活使用。OFDM是一種實現頻譜共享的支撐技術,它可以通過調整子載波數目和間隔靈活調整頻譜粒度。同時,子載波帶寬和符號間隔需要同共享頻譜帶寬和共享時間相匹配。

此外,應采用先進的功率控制和鏈路自適應技術。良好的鏈路控制技術可以有效減少由于信道質量變差而引起的頻譜切換,調整并有效保證頻譜切換前后業務的QoS。

3.2 對MAC層的需求

良好的MAC層設計是有效進行頻譜切換的基礎,為各認知用戶分配調度合適的無線頻譜,是保證切換成功率、切換前后業務QoS的重要因素。

集中式MAC由一個中心實體去控制頻譜的分配和接入過程,分布式MAC中頻譜的分配和接入是由分布式的節點基于局部(或全局)的分配策略來完成的。分布式方案雖然增加了節點間交換信息的開銷,但是降低了實施復雜度,而性能與集中式方案相近。因此目前研究重點是分布式MAC協議設計。

頻譜切換需要MAC層對頻譜切換前后的無線資源進行調度分配,要求MAC層協議具有重配置功能,能夠根據切換后工作頻率、帶寬、信道質量、業務QoS要求等因素進行協議參數調整。

4 頻譜切換的研究現狀及建議

4.1 頻譜切換研究場景

(1)相鄰頻段切換

相鄰頻段頻譜切換是指認知用戶切換前后的工作頻率變化不大(幾兆赫茲至幾十兆赫茲),切換前后信號的空間傳播特性沒有明顯變化。目前大部分的頻譜切換方案沒有考慮切換前后信號傳播特性的變化對切換的影響,可以認為是相鄰頻段頻譜切換解決方案。

(2)高低頻段切換

高低頻段切換是指切換前后認知用戶的工作頻率變化較大(幾百兆赫茲)。由于高低頻傳播特性的差異,可能會導致切換后的QoS難以保障。為了避免可能帶來的性能損失,文獻[5]提出通過計算不同頻率的覆蓋半徑,在小區邊緣同時考慮頻譜切換與小區間切換,在實現無縫覆蓋的同時減少用戶溢出和切換次數。

涉及到高低頻切換時,需要考慮的因素應當不僅僅限于路徑損耗,還應綜合考慮處于移動性環境時高低頻不同多普勒頻移的影響,進一步研究高低頻的不同傳播特性,充分利用頻譜資源。

圖2 高低頻段覆蓋情況

4.2 頻譜切換相關參數

研究頻譜切換時,需要綜合考慮切換用戶中斷概率、吞吐量、切換時延、切換頻率和阻塞概率等參數。這些參數的獲得,通常是先假定用戶到達率、業務持續時間的概率分布,然后進行理論分析。所采用的概率隨機分布模型往往是經典的泊松分布、指數分布、對數正態分布等。

文獻[6]通過對以上隨機分布模型進行分析,比較是否進行頻譜切換時的各項參數,結果表明頻譜切換雖然在一定程度上提高了其他用戶的阻塞概率,但是可以有效降低業務中斷概率。一般而言,業務的中斷比阻塞更難以讓用戶接受,所以頻譜切換通常是較優的選擇。

4.3 頻譜切換頻率

頻譜切換頻率是指業務持續時間內頻譜切換的次數,它關系到認知用戶的業務吞吐量、服務質量、中斷概率等。頻譜切換頻率越高,用戶獲得良好頻譜的可能性就越大,同時其信令開銷也就越大,反之亦然。

目前研究者對頻譜切換頻率的討論中[7],先假定用戶到達、業務持續時間以及各空閑頻段持續時間的概率分布模型,然后計算某一定持續時間業務進行過程中頻譜切換次數。但是,各空閑頻段持續時間概率分布目前尚沒有取得比較廣泛認同的統計模型,也未針對不同業務特征、QoS要求等,需要進一步討論研究。

4.4 頻譜預留對鏈路保持概率的影響

頻譜切換應盡量降低認知用戶對其他用戶可能產生的影響,頻譜預留機制通過采用侵略或者保守的頻譜預留,對認知用戶的中斷概率和授權用戶的阻塞概率進行平衡。

文獻[6]提出了一種頻譜預留機制,定義了授權用戶和認知用戶的頻譜占有需求以及用戶到達和業務的分布模型,分析了頻譜預留對中斷概率和阻塞概率的影響,并得出最優的頻譜預留情況。然而其所做的假設比較理想,應更進一步考慮頻譜切換實際場景,并且可以研究多用戶條件下的頻譜預留機制。

4.5 理論分析模型

目前頻譜切換的理論分析多采用假設認知用戶的隨機分布模型[3,7],或者通過馬爾可夫鏈計算狀態轉移概率[6],抑或采用排隊理論[4],獲取頻譜切換各相關參數。有人提出了利用部分檢測信息進行馬爾克夫判決以獲取合適頻譜的方法[8],也有人提出采用模糊理論來判決是否進行頻譜切換[9]。這些方法復雜度較低且具有很好的實時性,但是對輸入變量的假設相對簡單,并不能精確地反映實際情況,需要進一步研究。另外,研究更加科學的的數學模型是對頻譜切換進行理論分析和仿真驗證的基礎難題和當務之急。

5 總結

本文詳細分析了頻譜切換的概念、需求以及研究現狀等,關于未來研究工作,有以下建議:

(1)針對高低頻切換,進一步考慮多普勒頻移、多徑等傳播特性的區別,研究多頻段之間的協作;

(2)研究各種QoS要求的業務對頻譜切換的影響;

(3)對多用戶情況下的頻譜切換、頻譜預留機制進行研究;

(4)分析研究符合實際需求的頻譜切換概率分布模型,為理論分析提供可靠依據。

認知無線網絡是未來的發展方向,頻譜切換技術是實現認知無線網絡實際組網與業務應用的重要一環,目前頻譜切換技術尚有許多工作需要繼續做更深入的分析和研究。

參考文獻

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[4]Li-Chun Wang,Chung-Wei Wang. Spectrum Handoff for Cognitive Radio Networks: Reactive-Sensing or Proactive-Sensing?[C]. IEEE IPCCC 2008,7-9 Dec. 2008: 343-348.

[5]Ohyun Jo,Dong-ho Cho. Seamless spectrum handover considering differential path-loss in cognitive radio systems[J]. IEEE Communications Letters, 2009,13(3): 190-192.

[6]Xiaorong Zhu, Lianfeng Shen,Yum,T-S P. Analysis of Cognitive Radio Spectrum Access with Optimal Channel Reservation[J]. IEEE Communications Letters,2007,11(4): 304-306.

[7]Hong-jie Liu,Zhong-xu Wang, Shu-fang Li,et al. Study on the performance of spectrum mobility in cognitive wireless network[C]. IEEE ICCS 2008, 19-21 Nov. 2008: 1010-1014.

[8]Ma Rui-Ting,Hsu Yu-Pin,Feng Kai-Ten. A POMDP-Based Spectrum Handoff Protocol for Partially Observable Cognitive Radio Networks[C]. IEEE WCNC 2009,5-8 April 2009: 1-6.

[9]Giupponi L,Perez-Neira A I. Fuzzy-based Spectrum Handoff in Cognitive Radio Networks[C]. CrownCom 2008,15-17 May 2008: 1-6.★

【作者簡介】

張忠起:北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室、無線新技術研究所在讀碩士研究生,研究方向為:寬帶移動通信系統及關鍵技術,包括廣義分布式網絡結構、無線資源管理策略、動態頻譜管理策略等。

許曉東:北京郵電大學副教授,博士,研究方向為廣義分布式網絡架構、無線資源管理策略、小區間干擾抑制策略。已發表論文25篇,申請專利9項,出版專著1部。目前為《電子學報》審稿人、IEEE ICONS會議程序委員會委員。