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      未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引領(lǐng)

      2015-04-07 09:38:04王鑫孫軍杜愷
      科技視界 2015年9期

      王鑫 孫軍 杜愷

      【摘 要】隨著信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,有限的頻譜資源變得愈發(fā)緊張。為了緩解日益嚴(yán)重的頻譜資源緊張問(wèn)題,無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,成為引領(lǐng)未來(lái)無(wú)線通信技術(shù)方向的“大事件”。本文針對(duì)無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù),從概念、研究現(xiàn)狀和目前所研究的關(guān)鍵技術(shù)幾方面進(jìn)行了探索、剖析與探討。

      【關(guān)鍵詞】無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò);頻譜感知;頻譜共享;動(dòng)態(tài)接入

      0 引言

      過(guò)去幾十年間,隨著半導(dǎo)體、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,個(gè)人無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)生了爆炸性的增長(zhǎng)。從移動(dòng)電話到無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network, WLAN),新興的業(yè)務(wù)類型層出不窮,人們?cè)谙硎軣o(wú)線網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)便捷與樂(lè)趣的同時(shí),日益增長(zhǎng)的頻譜需求和有限的頻譜資源之間的矛盾也在急劇深化,為了緩解這一矛盾,研究人員提出了一種新的融合技術(shù)思路——無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network)[1-2]。

      無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(CRN)是指網(wǎng)絡(luò)能夠感知外部環(huán)境,通過(guò)對(duì)外部環(huán)境的理解與學(xué)習(xí),實(shí)時(shí)調(diào)整通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部配置,智能地適應(yīng)外部環(huán)境的變化。其主要目的是向用戶提供最佳的端到端效能(End to End Efficiency)。它融合了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的特點(diǎn),并考慮無(wú)線環(huán)境的信道特點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣骷盁o(wú)線終端的業(yè)務(wù)特性,分辨當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),然后根據(jù)這些狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃、決策和響應(yīng),同時(shí)網(wǎng)絡(luò)能在自適應(yīng)過(guò)程中不斷學(xué)習(xí),并將它們用于后續(xù)決策,實(shí)現(xiàn)端到端效能的優(yōu)化目標(biāo)[3-4]。

      1 無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

      目前,無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:頻譜感知(spectrum sensing)、頻譜共享(spectrum sharing)、動(dòng)態(tài)頻譜接入(dynamic spectrum access)[5]。區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道分配,認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的信道分配往往需要基于實(shí)時(shí)感知的信道狀態(tài),因此,頻譜感知是所有工作的基礎(chǔ)與核心。

      1.1 頻譜感知

      作為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的主要核心技術(shù)之一的頻譜感知技術(shù),其目的是要發(fā)現(xiàn)在時(shí)域、頻域及空域的頻譜空洞,進(jìn)而供認(rèn)知用戶機(jī)會(huì)式利用頻譜。

      頻譜感知技術(shù)可以分為基于干擾的檢測(cè)、主用戶信號(hào)檢測(cè)和協(xié)作檢測(cè),目前的頻譜感知技術(shù)主要是基于主用戶發(fā)射機(jī)檢測(cè),其頻譜感知方法主要又分為匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)三種。

      1.1.1 匹配濾波器檢測(cè)

      如果主用戶信號(hào)是確定性信號(hào),那么在加性高斯白噪聲(AWGN)條件下最佳檢測(cè)器就是匹配濾波器,它可以使輸出信噪比達(dá)到最大。匹配濾波器檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能快速度準(zhǔn)確檢測(cè)主用戶是否存在,但是,此方法需事先知道授權(quán)用戶的信息,對(duì)授權(quán)用戶需要專門的接收器,必須定時(shí)和頻率同步。此外,計(jì)算量也較大,若先驗(yàn)知識(shí)不準(zhǔn)確,則匹配濾波器的性能會(huì)大大下降。

      1.1.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)

      通常,無(wú)線通信信號(hào)都具有循環(huán)平穩(wěn)性,而噪聲和干擾則不具有這種特性,因此可以通過(guò)循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)主用戶信號(hào)是否出現(xiàn)。該方法能從調(diào)制信號(hào)功率中區(qū)分出噪聲能量,可以在較低的信噪比下進(jìn)行檢測(cè)信號(hào),但其計(jì)算復(fù)雜度較高。

      1.1.3 能量檢測(cè)

      能量檢測(cè)是最簡(jiǎn)單、最為經(jīng)典的信號(hào)檢測(cè)方法,也是目前研究的熱點(diǎn)。能量檢測(cè)法相對(duì)簡(jiǎn)單、易實(shí)施,另外,它為非相干檢測(cè),對(duì)相位同步要求低。但是,該方法在低信噪比情況下的檢測(cè)性能較差,易受噪聲不確定性的影響,且不能辨別主用戶類型。

      1.2 頻譜共享

      無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享是指次用戶在不影響主用戶的前提下與其共享一段頻譜,是認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。其目標(biāo)是有效管理對(duì)主用戶的干擾,并提高頻譜的機(jī)會(huì)利用率。

      頻譜共享主要包括兩個(gè)方面:次用戶之間的頻譜共享以及次用戶和主用戶之間的頻譜共享,可根據(jù)架構(gòu)、頻譜分配行為等因素可大致分為三類:

      (1)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

      基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通??煞譃榧惺筋l譜共享和分布式頻譜共享。集中式頻譜共享是由某個(gè)中心服務(wù)器根據(jù)全局信息計(jì)算和執(zhí)行整體二級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)的空閑頻譜分配。每個(gè)二級(jí)用戶獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知,然后將感知到的信息發(fā)送到中心服務(wù)器,由中心服務(wù)器綜合對(duì)這些信息分配到空閑頻譜。

      與集中式頻譜共享不同,分布式分配將認(rèn)知終端看作是一個(gè)自治的智能體,每個(gè)認(rèn)知終端根據(jù)自己獲得的頻譜信息計(jì)算和決定如何使用這些空閑頻譜,分布式分配主要應(yīng)用于無(wú)中心服務(wù)器的場(chǎng)合。

      (2)基于頻譜分配行為

      基于頻譜分配行為又可分為協(xié)作式頻譜共享和非協(xié)作式頻譜共享兩類。協(xié)作式頻譜共享考慮到各節(jié)點(diǎn)間行為的相互影響,即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)與其它節(jié)點(diǎn)分享自己的感知信息;而非協(xié)作式頻譜共享則不考慮其它認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中,協(xié)作式方案要好于非協(xié)作式方案,更接近整體性能的最優(yōu)化,在一定程度上更為公平,同時(shí)也提高了吞吐量。

      (3)基于接入技術(shù)

      現(xiàn)有大部分基于接入技術(shù)研究針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電商用進(jìn)行的,主要采用基于填充式共享方式,即只針對(duì)主用戶未使用頻譜下進(jìn)行的,基于完全檢測(cè)信息下對(duì)主用戶的干擾最小。

      1.3 動(dòng)態(tài)接入

      與傳統(tǒng)的固定頻譜分配方式不同,動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的頻譜管理方式,能更好的利用已有的低效的頻譜資源來(lái)滿足無(wú)線通信服務(wù)。動(dòng)態(tài)頻譜接入方式可分為以下三種策略模型[8]:

      (1)動(dòng)態(tài)專用模式

      動(dòng)態(tài)專用頻譜管理方式保留了現(xiàn)有的頻譜管理策略結(jié)構(gòu),即主用戶有著對(duì)頻譜資源的獨(dú)占權(quán);但它們不僅可以自由選擇其所使用的技術(shù),還可以選擇其所提供的服務(wù)。

      (2)開(kāi)放共享模式

      開(kāi)放共享模式這種頻譜管理方式得益于無(wú)線通信的發(fā)展,該技術(shù)能夠使得不同的系統(tǒng)共存,而且相互之間不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾,因此,不需要對(duì)頻譜資源進(jìn)行獨(dú)立的授權(quán)。

      (3)多層接入模式多層接入模式可以看作是動(dòng)態(tài)專用模式和開(kāi)放共享模式的一個(gè)折中,與動(dòng)態(tài)專用和開(kāi)放共享模式相比,多層接入模式更符合現(xiàn)有的頻譜資源管理策略和無(wú)線系統(tǒng)。此外,頻譜正交的接入方式與頻譜重疊相比去除了次用戶發(fā)射功率所受的嚴(yán)格限制,一定程度上提高了其信道容量和吞吐量,而且有著更廣泛的應(yīng)用。

      2 結(jié)束語(yǔ)

      作為未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引領(lǐng),無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)就有廣闊的研究前景與應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié),從頻譜感知、頻譜共享和動(dòng)態(tài)頻譜接入幾方面進(jìn)行深入分析與探討。無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)將在未來(lái)的無(wú)線通信領(lǐng)域,以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等各領(lǐng)域。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1]王永華.楊健.無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2011(7):41-45.

      [2]李建中.高宏. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展, 2008,45 (1):1-15.

      [3]王再勵(lì).認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作頻譜檢測(cè)技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué),2011.

      [4]張國(guó)偉.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知技術(shù)研究[D].山東大學(xué),2011.

      [5]唐龍.一種新型的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2011(10):326-330.

      [責(zé)任編輯:薛俊歌]

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