動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)綜述

動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)綜述

本文概述了動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。根據(jù)研究目標(biāo)的不同將研究方法歸納分類，并分析優(yōu)缺點(diǎn)。為頻譜資源的合理分配、頻譜資源的高效利用和動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)研究提供技術(shù)參考。

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，原本有限的無線頻譜資源被劃分給越來越多的用頻用戶，致使用戶可用的頻譜資源日漸緊張。頻譜緊缺的局面正是由傳統(tǒng)的頻譜分配方法所導(dǎo)致的，傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配模式將頻段固定分配給用頻用戶，只有被授予頻譜使用權(quán)的用戶才可以使用，頻譜利用率有待提高。動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)通過靈活利用授權(quán)用戶空閑的頻譜空穴，使認(rèn)知用戶伺機(jī)分配到所需的頻譜資源，使頻譜資源在時(shí)域和空域上得到充分利用，提高了頻譜利用率。

動(dòng)態(tài)頻譜接入研究現(xiàn)狀

國外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)研究針對不同的研究目標(biāo)，提出了不同的研究方法。本文將多種技術(shù)通過抗干擾、提高頻譜利用率、吞吐量最大化、公平性、延時(shí)性、能耗最小化、網(wǎng)絡(luò)連通性這七個(gè)方面進(jìn)行歸類，分別介紹新技術(shù)的特點(diǎn)，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1）抗干擾

抗干擾指在有干擾的電磁環(huán)境中保障通信質(zhì)量，研究方法有：a）2003年FCC推薦了干擾溫度模型，該方法通過制定干擾溫度門限，達(dá)到復(fù)雜電磁環(huán)境抗干擾的目的；b）A. Hoang和Y. Liang利用干擾圖的方法來捕捉一對通信節(jié)點(diǎn)之間的是否存在干擾，當(dāng)動(dòng)態(tài)干擾圖上出現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連式，可判定存在干擾情況；c）A. Hoang等利用信噪比的大小作為判斷依據(jù)，當(dāng)信噪比值大于門限值時(shí)，則判定可以正常通信，該方法的缺點(diǎn)是當(dāng)信噪比大于等于門限值與安全余量之和時(shí)才允許傳送信息。

2）提高頻譜利用率

提高頻譜利用率指將頻譜最大限度地分配給認(rèn)知用戶，研究方法有：a）X. Li等定義頻譜效率為數(shù)據(jù)速率和信道帶寬的比值，通過最大化每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率以達(dá)到提高頻譜利用率的目的，該方法的缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中更多的干擾；b）S. Byun等提出盡可能公平分配空閑頻譜的方法，但公平的方式并不總是達(dá)到最大化頻譜利用率；c）L. Yu等提出最大化總的頻譜利用率并最大化瓶頸用戶的頻譜利用率的方法。

3）吞吐量最大化

吞吐量最大化指最大化網(wǎng)絡(luò)或者單個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量，研究方法有：a）X. Mao等采用節(jié)點(diǎn)為不合作方式的分布式頻譜分配算法，缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致在訪問信道出現(xiàn)爭用或者導(dǎo)致不公平；b）J. Wang等將所有節(jié)點(diǎn)總的吞吐量作為目標(biāo)，并可采用分布式或者集中式頻譜分配算法以最大限度提高網(wǎng)絡(luò)性能，但缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致不公平，使得一些節(jié)點(diǎn)無法傳輸信息；c）T. Kim等針對OFDMA認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，通過認(rèn)知節(jié)點(diǎn)從主用戶網(wǎng)絡(luò)借上行鏈路子載波上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲蠡詫?shí)現(xiàn)吞吐量最大化。

4）公平性

提高認(rèn)知用戶之間的公平性，可以避免頻譜分配的不公平現(xiàn)象，研究方法有：a）S. Byun等利用集中式方法最大化每個(gè)認(rèn)知用戶的最小平均吞吐量，但它沒考慮高需求量應(yīng)用用戶的最低吞吐量的要求；b）Y. Ge等提出協(xié)同最大比例公平方法，將認(rèn)知用戶根據(jù)的服務(wù)質(zhì)量或不同吞吐量需求進(jìn)行分組，解決最低吞吐量的問題。

5）延時(shí)性

延時(shí)的研究分為端到端延遲和切換延遲兩種，路由結(jié)合的頻譜分配中通常需要考慮端到端延遲，切換延遲時(shí)間是認(rèn)知用戶從一個(gè)頻譜切換到另一個(gè)頻譜的時(shí)間，另外在切換過程中，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送或接收中斷，會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外延遲，其研究方法有：a）G. Cheng通過合理的給節(jié)點(diǎn)分配頻譜以使得路由內(nèi)累積的延遲（節(jié)點(diǎn)延遲與路徑延遲之和）最低；b）W. Lee提出了一個(gè)頻譜決策框架，考慮了切換延遲因素，其目標(biāo)是找到一個(gè)頻譜分配方法，將認(rèn)知用戶的歸一化容量的總和最大化，缺點(diǎn)是它使用固定寬度的頻譜帶，與實(shí)際多數(shù)情況不相符；c）J. Wang提出了累積干擾和切換延遲最小化的度量，允許權(quán)衡不同的干擾和切換延遲之間的權(quán)重，在每一跳上分配信道和路徑，存在的問題是該方法只考慮了信道切換次數(shù)，而不是在該路徑上數(shù)據(jù)流的切換時(shí)延。

6）能耗最小化

最小化認(rèn)知用戶能量消耗可以最大限度地提高總?cè)萘亢妥钚』到y(tǒng)的總功耗，研究方法有：a）S. Gao等，提出了一個(gè)分布式頻譜選擇和功率分配算法，并提出了一種分布式能量有效性頻譜接入方案，目的是最小化在所有子載波上每個(gè)比特的能量消耗，因此目標(biāo)就轉(zhuǎn)換為找到次用戶可選擇的最佳信道數(shù)，在保證其數(shù)據(jù)速率的要求時(shí)采用發(fā)送最小功率；b）L. Yu等提出了一種認(rèn)知無線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能量有效性頻譜分配的方法，利用信道最小化發(fā)射功率的思想，將能量有效性問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)功率控制和信道優(yōu)化相聯(lián)合的問題；c）X. Li從能量有效性的角度研究了認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信道分配問題，提出了一種預(yù)測剩余能量的系數(shù)的方法，但該算法并未考慮優(yōu)于節(jié)點(diǎn)感知頻譜所消耗的能量。

7）網(wǎng)絡(luò)連通性

為了保證用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS），保持網(wǎng)絡(luò)連通性至關(guān)重要。影響網(wǎng)絡(luò)連通性的要素主要有通信鏈路使用頻率、發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)距離和認(rèn)知用戶間干擾。針對網(wǎng)絡(luò)連通性的研究方法有：a）A. Abbagnale等針對認(rèn)知無線電Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)連通性的研究，提出節(jié)點(diǎn)的距離、發(fā)射功率和頻率選擇會(huì)對網(wǎng)絡(luò)連通性產(chǎn)生影響；2）Y. Li等利用圖形著色規(guī)則，提出認(rèn)知用戶之間的干擾對CRAHNs連通性有很大影響；b）M. Ahmadi和J. Pan建立了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖，以顯示網(wǎng)絡(luò)流量和認(rèn)知用戶之間的連接，將信道分配給認(rèn)知用戶，并最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的干擾。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)也不斷深入在動(dòng)態(tài)頻譜接入方面的研究，針對不同的動(dòng)態(tài)頻譜接入研究目標(biāo)，提出了不同的研究策略。

以減小認(rèn)知用戶之間頻譜共享時(shí)的干擾為目的，賈蘊(yùn)提出了認(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)頻譜接入的競爭與干擾規(guī)避策略，減少認(rèn)知用戶的信道切換次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。以能耗最小化為目的，張旭等人提出了基于排隊(duì)論的集中式頻譜分配策略，以授權(quán)和認(rèn)知用戶共存的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為背景，基于排隊(duì)論模型，提出了一種效率高、能耗低的集中式頻譜分配方案。以實(shí)現(xiàn)對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的功率控制為目的，張龍等人提出基于微分博弈的分布式非合作功率控制算法，提出了一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的分布式動(dòng)態(tài)功率控制方案，控制平均功率門限，提高認(rèn)知用戶通信質(zhì)量。以提高認(rèn)知用戶吞吐率為目的，彭曉東等人提出了一種魯棒機(jī)會(huì)頻譜接入策略，較好的利用優(yōu)質(zhì)信道機(jī)會(huì)，提高認(rèn)知用戶的吞吐率。

總結(jié)

本文簡要介紹了國內(nèi)外動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的研究情況，根據(jù)研究目標(biāo)的不同將研究方法歸納分類，并分析了各種研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)。可以看出，動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)可以采用接近實(shí)時(shí)的頻譜管理方式，靈活分配頻譜資源，以適應(yīng)不斷改變的電磁頻譜環(huán)境。但是現(xiàn)有研究方法仍存在不同程度的局限性，因此進(jìn)一步開展動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.009