認知無線電中的頻譜退讓技術﹡

王 群， 侯曉赟﹡﹡， 王東明

（①南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；②東南大學 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著無線電及其通信技術的飛速發展，有限的頻譜資源變得越發緊缺。但另一方面，據有關部門研究表明，當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。因此，頻譜利用率低下成了阻礙無線通信發展的一個重要因素。為解決頻譜資源的有效利用問題，認知無線電（CR，Cognitive Radio）已成為目前無線通信領域的一大研究熱點[1]，從而極大地緩解了頻譜資源緊張的現狀。

認知無線電是一個智能無線通信系統，它能夠感知外界環境，并使用人工智能技術從環境中學習，通過實時改變某些操作參數（比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等），使其內部狀態適應接收到的無線信號的變化，以達到任何時間、任何地點都高度可靠通信并有效利用頻譜資源的目的[2]。在認知無線電中，認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量的同時滿足次用戶的通信需求，頻譜退讓技術在認知無線電中扮演著非常重要的角色[3]。但是，目前有關認知無線電中頻譜退讓技術的研究尚未深入，這也正說明了對該項技術進行研究的重要性和必要性。

1 頻譜退讓的概念

在 CR網絡中，主用戶的優先級權限高于次用戶，為了能夠首先保障主用戶的通信質量，當主用戶有新的傳輸業務而出現在其授權頻段時，次用戶必須盡快騰空該頻段，但為了兼顧次用戶業務的連續性，它需要避讓到其他空閑頻段繼續進行通信；此外，若次用戶所占用頻段的通信鏈路質量變差不能滿足其當前業務需求時，次用戶也希望退讓出當前信道并遷移到其它更適合的空閑頻段上繼續傳輸，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，頻譜退讓過程是一個循環反復的過程，它主要包括兩個階段：頻譜感知階段和鏈路修復階段[5]。在頻譜感知階段，次用戶觀測周圍環境，分析是否有退讓觸發事件發生，一旦次用戶決定執行退讓程序，就自然地過渡到鏈路修復階段。在鏈路修復階段，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傳輸鏈路。根據次用戶退讓到目標空閑信道的時間不同，頻譜退讓可以分為主動頻譜退讓和被動頻譜退讓[6]。在主動頻譜退讓中，次用戶預測主用戶出現的時間，在主用戶到達之前就退讓到目標信道；在被動頻譜退讓中，次用戶只有在主用戶出現后才會執行退讓程序。一旦傳輸鏈路恢復，系統又會重新進入到感知階段，進行下一個循環周期。

圖1 頻譜退讓流程[5]

2 頻譜退讓的策略

通常，退讓目標信道的選擇可以在退讓事件觸發之前或之后，根據目標信道選擇方法的不同，現有的頻譜退讓策略大致可以分為兩類[7]：

（1）主動頻譜退讓策略[8]，是指次用戶在業務傳輸的同時，不斷地對周圍信道狀況進行感知，將檢測到的所有空閑信道匯集成一個備用信道列表（BCL，Backup Channel List），在退讓事件觸發前或后，直接從當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 主動頻譜退讓策略示意[10]

（2）被動頻譜退讓策略[9]，是指次用戶只有在退讓事件觸發后，才會暫停當前業務，對周圍的信道狀況進行實時感知，根據即時感知的結果，將其作為目標信道進行退讓，如圖3所示。

圖3 被動頻譜退讓策略示意[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延，保證了業務的連續性，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延，但與前者相比所選的目標信道準確度較高。因此，在退讓策略選擇時，應該結合自身業務需求和信道狀況來綜合考慮。

3 目標信道選擇算法

無論采用哪種頻譜退讓策略，所選目標信道的好壞都將會對頻譜退讓的性能產生直接影響。目標信道的選擇，最常用的做法是借助BCL，當需要執行退讓時，直接從 BCL中選取目標信道。IEEE 802.22無線區域網絡(WRAN，Wireless Regional Area Network)標準正是采用了這種方法[12]。

基于此，針對主動頻譜退讓策略，文獻[13]提出了一種使次用戶業務傳輸總時間最短的貪婪目標信道選擇算法。文獻[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。但是，如果有多個次用戶在同一時間執行退讓程序，以上算法都將會造成次用戶之間的碰撞，文獻[15]綜合考慮了各次用戶的業務量，分散各個信道的負載量，以避免多個次用戶競爭同一個信道。然而，它們在進行目標信道選擇時，均以優化部分性能參數指標后的結果作為參考依據 ，并沒有綜合考慮各方面性能指標參數。文獻[16]提出了一種基于多屬性判決的兩級選擇機制，即首先在該候選集中通過對有利因素進行加權排序，取前N個信道形成二級候選集，然后在二級候選集中依據不利因素加權，最小值所對應的信道作為目標退讓信道，從而選擇綜合性能高的目標信道。因此，選擇目標信道時，需要結合具體業務需求，綜合衡量各項性能指標的權重，有針對性的對關鍵性能參數進行最優化，尋找最優目標信道，以提高系統整體性能。

4 結語

頻譜退讓技術是認知無線電中極其重要的一項技術，能夠在保障主用戶通信質量的前提下，滿足次用戶的通信需求。但是，與認知無線電中的其它技術（如頻譜感知技術[17-18]等）相比，目前有關頻譜退讓技術的研究尚淺。可以考慮從以下幾個方面對頻譜退讓技術展開研究：①優化目標信道選擇算法，并結合信道模型來研究退讓過程中的性能參數；②針對主動頻譜退讓策略和被動頻譜退讓策略各自的特點，考慮在退讓過程中，加入各種動態學習方法，使次用戶可以自適應的選擇當時最適合的策略。

[1] 白敏丹.基于認知無線電的無線通信研究現狀[J].通信技術,2010,43(05):44-46,49.

[2] 周德全,李光輝.認知無線電及其關鍵技術[J].通信技術,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.認知無線網絡中的頻譜切換技術[J].移動通信,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.認知無線電頻譜切換目標信道訪問機制[J].電子與信息學報,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.基于頻譜預留的一類頻譜切換改進方法研究[J].北京聯合大學學報:自然科學版,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,郭愛煌,張超,等.認知無線電主動切換的延時優化[J].電子測量技術,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.認知無線電中基于多屬性判決的目標切換信道選擇[J].計算機工程與應用,2011,47(27):158-160.

[17] 譚學治,姜靖,孫洪劍.認知無線電的頻譜感知技術研究[J].信息安全與通信保密,2007(03):61-63.

[18] 孫競超,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.