動態(tài)頻譜接入綜述

徐 迪

(西安電子科技大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，陜西西安 710071)

傳統(tǒng)上，頻譜分配政策是為已經(jīng)授權(quán)的用戶提供一個固定的頻譜，且這個頻譜是獨家享用的。雖然這項政策在過去的幾十年里一直運(yùn)作良好，近年來無線服務(wù)的激增暴露了這個政策的缺點:一方面導(dǎo)致頻譜匱乏;另一方面，大量的授權(quán)頻譜在時間和空間上均未得到充分利用。這些在時間和空間領(lǐng)域未使用的頻譜波段，也稱為頻譜空洞或頻譜空白，為無線通信提供了一個很好的機(jī)會。DSA是一種新的利用頻譜空洞來實現(xiàn)頻譜共享范例。它利用頻譜空洞，從而緩解頻譜短缺的問題，并且提高了頻譜利用率。通過DSA，SUs(次級用戶)能夠動態(tài)地搜索空閑頻譜波段，暫時使用他們來進(jìn)行無線通信。為了避免和PUs(主用戶)發(fā)生沖突，SUs都持續(xù)地監(jiān)控頻段，當(dāng)PUs開始利用一個波段時，SUs得避讓PUs。

在認(rèn)知無線電技術(shù)的最新進(jìn)展下DSA認(rèn)知無線電技術(shù)成為可能。認(rèn)知無線電典型地包含一個模擬射頻前端，一個數(shù)字處理引擎。大多數(shù)無線電功能，如信號處理功能通過運(yùn)行在數(shù)字處理引擎上的軟件成為可用的。通過編程的數(shù)字處理引擎，認(rèn)知無線電可以感知周圍頻譜環(huán)境并相應(yīng)地適應(yīng)無線參數(shù)，例如:中心頻率，帶寬，傳送功率。

由于提高頻譜利用效率具有很大希望，所以在過去的十年已有大量的DSA和認(rèn)知無線電的研究工作。也有相當(dāng)多的關(guān)于無線電或DSA網(wǎng)絡(luò)方面的調(diào)查研究［1］。雖然這些調(diào)查研究主要集中在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，文中討論了DSA的挑戰(zhàn)，旨在揭示其未來。首先介紹了最先進(jìn)的頻譜檢測和頻譜共享。然后，著重討論了能夠防止DSA成為主要商業(yè)部署的挑戰(zhàn)。要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，一個新的DSA模型至關(guān)重要，在這個新的DSA模型中PUs被激勵而一起合作，因此，靈活的頻譜共享是可能的，例如頻譜檢測可以大幅簡化，而且SUs被允許可以和PUs在一個頻段傳送數(shù)據(jù)。此外，未來的DSA模型應(yīng)考慮政治，社會，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等因素。為支持未來的DSA模型，需要額外的組件和功能，以提高認(rèn)知無線電性能。把未來有更廣應(yīng)用能力的認(rèn)知無線電稱為網(wǎng)絡(luò)無線電。

1 DSA模型

目前總共有3種DSA模型Interweave，Underlay和Overlay［2］。Interweave DSA模型是本文主要學(xué)習(xí)研究的DSA模型之一，也是DSA業(yè)界約定俗成的標(biāo)準(zhǔn)。它與Underlay和Overlay模型的區(qū)別在于:只要PU還在這個被授權(quán)的頻譜帶中活動，SU就不能接入該頻段。此外，PU有絕對優(yōu)先使用頻段的權(quán)利，只要PU訪問頻段時，訪問該頻段的SU就得避讓PU。因此，交織DSA模型也被稱為機(jī)會頻譜接入，此情況下SU受限制地投機(jī)利用這些時空上或頻域上的頻譜空白，在交織DSA模型下，SU利用認(rèn)知無線電感知周圍頻譜環(huán)境，然后選擇一個或多個閑置的頻段，把認(rèn)知無線電轉(zhuǎn)換成選定的頻段來傳送。圖1說明了頻譜的動態(tài)性和SU怎樣利用交織DSA模型搜索和訪問空閑的頻譜帶。

圖1 Interweave DSA模型

Underlay DSA模型允許SU訪問許可的頻段，無論P(yáng)U是否訪問，遭受來自所有次級用戶累計的干預(yù)的約束對主用戶來說是可容忍的，即下面一些閾值的約束。有兩種方法可以滿足該約束。在第一種方法中，次級用戶發(fā)射功率在很寬的頻譜范圍內(nèi)傳播，以至于對在每一個授權(quán)頻段上的次級用戶的干擾遠(yuǎn)低于閾值。這是采取的超寬帶(UWB)技術(shù)的方法。這種方法主要用于短距離通信。第二種方法被稱為干擾溫度。通過這種方法，次級用戶可以在授權(quán)頻譜上以更高的功率傳輸數(shù)據(jù)，只要來自所有的SU上的總干擾低于某個閾值。面臨的挑戰(zhàn)就是如何測量對PU的總干擾的和如何實施對次級用戶的限制。對于這一挑戰(zhàn)，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)提交的干擾溫度方法。圖2說明了在Underlay DSA模型中一個SU如何在一個頻段上和PU共享一個范圍廣泛的頻譜。

圖2 Underlay DSA模型

Overlay DSA模型是DSA的一個較新發(fā)展模型。類似于底層DSA模型，即使當(dāng)PU訪問一個波段時，上層DSA模型也允許PUs傳送。然而，約束條件是不同的，不是約束SU對PU的干擾，而是通過限制SU的傳送功率，上層DSA模型目標(biāo)保持的PU執(zhí)行。只要對PU的性能不引起退化，SU被允許和PU同時發(fā)送。上層DSA模型的第一種方法是使用信道編碼(Channel Coding［2］)。具體而言，當(dāng)一個PU發(fā)射器發(fā)送一個PU數(shù)據(jù)包時，SU發(fā)射器可以將它的發(fā)射功率分成兩部分，一部分是發(fā)送給自己的(SU)的數(shù)據(jù)包，另一部分是用來傳送PU的數(shù)據(jù)包以提高在PU接收機(jī)接收的總功率，使得沖突信號和噪聲比(SINR)在PU接收機(jī)上不會降低。此外，SU發(fā)射機(jī)可以使用臟紙編碼來對SU的數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)編碼，這樣由PS數(shù)據(jù)包傳送引起的對SU接收機(jī)干擾就不存在了。Overlay DSA模型的另一種方法是使用網(wǎng)絡(luò)編碼［3］。采用這種方法，SU作為不連通和弱連通節(jié)點之間的中繼節(jié)點來服務(wù)。當(dāng)轉(zhuǎn)播PU數(shù)據(jù)包時，SU可以通過網(wǎng)絡(luò)編碼把SU的數(shù)據(jù)包編碼傳到PU的數(shù)據(jù)包上。因此SU數(shù)據(jù)包的傳輸不會引起獨立的頻譜接入，也不會降低該P(yáng)U的性能。

Overlay DSA模型的一個顯著性能就是它能夠給PU提供激勵以鼓勵其來進(jìn)行合作。通過信道編碼方法，SU傳送機(jī)可以分出足夠的功率來發(fā)送PS數(shù)據(jù)包，使得PU的接收機(jī)所在的信號干擾噪聲比增加，這樣PU執(zhí)行效果就得到很大的提高。通過網(wǎng)絡(luò)編碼方法，可以提高傳輸?shù)臄?shù)據(jù)頻率，并且獲得一個較高的PU數(shù)據(jù)吞吐量也是可能的［3］。總之，對于PU和SU，上層DSA模式創(chuàng)造了一個“雙贏”的模式。圖3說明了SUs和PU在上層DSA模型上如何共享頻譜的。

圖3 Overlay DSA模型

2 頻譜感知

在DSA中頻譜感知起著至關(guān)重要的作用。在SU發(fā)送一個數(shù)據(jù)包之前，它需要感知頻譜的環(huán)境，以確定可用的頻譜頻帶。在數(shù)據(jù)包傳輸中，一個SU需要持續(xù)感知波段以檢測是否有PU訪問接入頻段。頻譜感知技術(shù)一般地可以分為本地感知和協(xié)作感知。本地感知就是指每個SU能獨立地檢測周圍的頻譜環(huán)境，然后選擇一個閑置的頻譜進(jìn)行通信。本地感知有3個主要的技術(shù):能量檢測，匹配濾波器檢測，周期平穩(wěn)特征檢測［4］。在能量檢測，被接收的信號的能量是可測的，并與一個預(yù)定義的閾值作比較。如果接收到信號的能量超過閾值，譜頻帶將被PU所占用，否則頻譜頻帶被確定為閑置的。能量檢測技術(shù)降低了計算復(fù)雜度，并且很容易實現(xiàn)。然而，它易受噪聲功率不確定性的影響，并且不能區(qū)分噪聲和信號。匹配濾波器檢測技術(shù)假定PU信號的相關(guān)屬性是已知的，它將接收到的信號與已知PU信號相結(jié)合，以比特率來對輸出結(jié)果采樣以檢測PU的存在。為了區(qū)分噪聲和信號，提出了周期平穩(wěn)特征檢測［4］。這種技術(shù)來自一個事實，因為它們的方法和自相關(guān)性表現(xiàn)出周期性。除了3個主要的技術(shù)，最近其他幾個技術(shù)已被開發(fā)。

3 頻譜共享和訪問

高效的頻譜共享和訪問，對DSA必不可少。頻譜共享在underlay DSA模型提供最靈活的滿足干擾約束。在Overlay DSA模型中，頻譜共享也很靈活，但有一些限制。具體而言，當(dāng)一個SU嘗試發(fā)送一個SU的數(shù)據(jù)包，如果該P(yáng)U的性能確保不會降低，然后SU就可以訪問許可的頻譜。否則，SU必須把頻譜接入讓給PU。在交織DSA模型中的頻譜共享更具挑戰(zhàn)性，因為當(dāng)PU訪問的頻譜時這種模式禁止SU頻譜接入。交織DSA模型中的頻譜共享是主要研究對象［7－8］。在DSA中，通信信道是動態(tài)可用的，這對交織DSA模型下的頻譜共享和訪問提出了巨大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)控制通道是否可用主要分為兩種方法，在第一種方法［8］，公共控制信道用于交換頻譜的檢測結(jié)果和轉(zhuǎn)讓數(shù)據(jù)通道。SU的頻譜接入在傳感傳送周期上工作。在傳感期間，每個SU感官周圍的頻譜環(huán)境，以確定可用于SU通信的頻段，然后把無線電切換到控制信道上與其他的SU交換檢測結(jié)果。然后每個通信節(jié)點對從檢測到的可用信道中的一個數(shù)據(jù)通道用于數(shù)據(jù)通信，最終將無線電切換到選定的數(shù)據(jù)信道來傳輸數(shù)據(jù)包。SU持續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)通道，當(dāng)在一個數(shù)據(jù)通道檢測到一個PU信號，此通道上的SUS必須避讓PU。雖然公共控制信道能簡化在頻譜接入發(fā)射器和接收器之間的交會，但很容易擁塞。ETCH文獻(xiàn)［9］中提出算法使用多個控制信道，以避免擁塞，同時保證一個SU在最佳長度的幀的范圍內(nèi)能遇到任何其他SU。另一種方法根本不使用的控制通道，從而消除了在控制通道［10］擁塞和干擾的。通過這種方法，每個SU從動態(tài)檢測到的信道獨立選擇業(yè)務(wù)信道。每個通信沒有必要交換控制信息，即不用協(xié)商用于數(shù)據(jù)通信的渠道。取而代之的是，發(fā)送器估計接受機(jī)經(jīng)營的信道，并簡單地將無線電切換到接收器信道。它表明了對每個信道估計的成功率是很高的，因此，發(fā)射器可以以較高的概率滿足接收機(jī)。

雖然在交織DSA模型中大多數(shù)的頻譜共享的研究是在MAC層，也就是，假設(shè)不僅單跳網(wǎng)絡(luò)，多跳DSA網(wǎng)絡(luò)中也有相當(dāng)多的頻譜共享研究［11－12］。通過多跳DSA網(wǎng)絡(luò)，用戶的需求是終端到終端的通信情形。加上其他問題，目的是優(yōu)化一些實用程序，頻譜共享變得更具挑戰(zhàn)性，如全網(wǎng)無線電頻譜使用［11］或功率消耗［12］，雖然滿足所有用戶的需求，但通常這樣的問題是NP困難問題，因此需要有效的啟發(fā)式算法。

4 當(dāng)前DSA挑戰(zhàn)和突破

利用今天的技術(shù)，在主要交織DSA模型中頻譜感知的共享是非常具有挑戰(zhàn)性。由于在此DSA模型中，如果在信道上有一個PU上的頻帶的信號。一個SU不能訪問的頻譜頻帶，一個SU必須精確地檢測PU信號的存在，然而，由于多路徑、信號衰減、陰影效應(yīng)和無線電干擾污染水平日益嚴(yán)重的影響，準(zhǔn)確的頻譜感知是非常具有挑戰(zhàn)性的。合作頻譜感知可以幫助減輕其中的一些問題，但不能完全消除它們。此外，新的問題出現(xiàn)，包括復(fù)雜的控制和協(xié)調(diào)，由于交換延遲關(guān)注新的檢測數(shù)據(jù)，提高了決策的時間和安全問題，因為惡意的SU可以故意地通過報告假的遙感數(shù)據(jù)誤導(dǎo)最終的決定。

還有其他的頻譜感知問題，噪聲固有的不確定性，使得區(qū)分信號和噪聲具有挑戰(zhàn)性的，文獻(xiàn)［13］指出，存在“SINR墻”，低于一定的SINR墻，匹配濾波器，能源，特征檢測都無法區(qū)分的噪音信號。許多頻譜感知技術(shù)，如匹配濾波器檢測，特征檢測等，靠的主要使用者波形或特殊功能，如導(dǎo)頻信號的先驗知識。但是，主要的用戶波形的頻譜頻帶的特殊功能可能會改變，可能會消失，由于頻譜的再利用，頻譜交易，或升級到新的技術(shù)。此外，由于一個次級用戶的要求時，必須讓位給一個主要用戶開始訪問頻段，輔助用戶的模仿主用戶(PUE)攻擊是脆弱的。主要用戶模擬攻擊發(fā)生時，惡意的次級用戶發(fā)送的主要用戶通過認(rèn)知無線電，模擬的主要用戶信號波形上的頻段，從而防止其他次級用戶訪問頻段。PUE仿真攻擊是獨特的動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)，并很難被檢測到和計數(shù)器測量。所有這些問題，導(dǎo)致行業(yè)投資動態(tài)頻譜接入的經(jīng)濟(jì)回報是不確定的?？傊?，技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)回報的不確定性，防止?jié)撛诘姆?wù)提供商和供應(yīng)商考慮動態(tài)頻譜接入技術(shù)，設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模投資。

除了這些挑戰(zhàn)，從技術(shù)的角度來看，或許來自不同的成員之間的動態(tài)頻譜接入:決策者，學(xué)術(shù)界，行業(yè)和最終用戶間是一個更大的挑戰(zhàn)。所有4名成員互相影響，將它們連接在一起的重要組成部分，是經(jīng)濟(jì)。

如何在動態(tài)頻譜接入上有所突破，需要重新審視Interweave DSA。交織的動態(tài)頻譜接入模型的一個主要問題是缺乏激勵機(jī)制為主要用戶合作。事實上，PU對有DSA一種內(nèi)在的敵視，為了消除敵意，關(guān)鍵設(shè)計的鼓勵機(jī)制，以彌補(bǔ)PU參加DSA的合作中損失。有了補(bǔ)償，主要用戶可以在DSA中合作，因此它可以顯著降低技術(shù)的挑戰(zhàn)和促進(jìn)的動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)的部署。從技術(shù)和政策兩方面，可以相信這是可能的突破保守的交織DSA模型。

從技術(shù)方面，Overlay DSA是一個能替代Interweave DSA的模型。它對PUs和SUs提供獎勵，PUs有了SUs的幫助，其性能可以提高，而且SUs與Pus可以同時訪問的頻譜。因此，Overlay DSA模式對消除Interweave DSA模式引起的挑戰(zhàn)是有前途的。但在Overlay DSA模式中現(xiàn)有方法還有很多的限制。此外，網(wǎng)絡(luò)編碼并不總是有顯著的增益，并且它也招致額外開銷和復(fù)雜性的。最后，對于信道編碼的方法，可能需要增加能量消耗。因此，Overlay DSA模型的進(jìn)一步研究需要提出更加實用和有效的方法。從政策面中，F(xiàn)CC和NTIA也考慮利用激勵機(jī)制來提高頻譜效率和擴(kuò)大對授權(quán)頻段的接入。另一方面，激勵小組委員會還考慮依靠頻譜拍賣的收入以及收集的頻譜費(fèi)用建立一個頻譜創(chuàng)新基金，這種基金可以用于補(bǔ)償頻譜持有人，使他們更加合作的動態(tài)頻譜接入。允許SUs和PUs同時訪問的頻譜也將減輕PUE攻擊所造成的影響，這對Interweave DSA模型來說是一個嚴(yán)重的安全問題。由于SU被允許可以和PU在同一時間傳輸數(shù)據(jù)，即使頻帶中有一個PU，SU也不需要從頻帶中遷出，這有效地消除了PUE的攻擊。

5 未來的DSA

預(yù)計未來的動態(tài)頻譜接入模型，以滿足不同的利益。因此，認(rèn)知無線電，動態(tài)頻譜接入技術(shù)是有利的，預(yù)計將在未來更強(qiáng)大。設(shè)想未來的認(rèn)知無線電將由4個部分組成:策略執(zhí)行實體、激勵實體、安全模塊，共存模塊以及更多的功能:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的認(rèn)識、網(wǎng)絡(luò)編碼、跨層優(yōu)化、多輸入多輸出(MIMO)。確保政策執(zhí)行實體的動態(tài)頻譜的訪問策略，與激勵實體，主要用戶動力顯式或隱式的頻譜感知上提供的信道活動的信息，以減少的開銷。此外，次級用戶可能被允許同時傳送與主要用戶，只要可以保護(hù)主要用戶性能提升到理想程度。安全的無線電模塊，可以有效地緩解攻擊，如初級用戶仿真。隨著共存的模塊，主要用戶和次級用戶，次級用戶從不同的領(lǐng)域和技術(shù)，友好地共存于一個頻段。此外，由于動態(tài)頻譜可用性，認(rèn)知無線電的動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要注意，以確保高的性能和質(zhì)量的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)編碼將添加額外的功能，以充分利用認(rèn)知無線電的干擾，并提供獎勵機(jī)制對PU和SUS。認(rèn)知無線電也將能夠進(jìn)行跨層優(yōu)化，使得頻譜感知和信道切換的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成和適應(yīng)配合，以優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的或端到端的服務(wù)的性能和質(zhì)量。

對未來的DSA，還存在許多設(shè)計問題。例如:主要用戶設(shè)計的合作機(jī)制和權(quán)衡分析。什么是最有用和最實用的，例如，顯式或隱式類型的主要用戶合作。這種合作應(yīng)如何經(jīng)常提供?應(yīng)考慮哪些指標(biāo)?考慮的性能指標(biāo)的激勵機(jī)制，其他指標(biāo)也應(yīng)考慮，如主要用戶網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，延遲，用戶體驗等。

6 結(jié)束語

回顧了動態(tài)頻譜接入(DSA)，并討論了當(dāng)前的動態(tài)頻譜接入所面臨的挑戰(zhàn)和突破。認(rèn)為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)重要的是，未來的動態(tài)頻譜接入模式提供了激勵機(jī)制，使主要用戶和次級用戶合作，動態(tài)頻譜接入，從而可以更靈活的頻譜共享。為支持未來的DSA模型，認(rèn)知無線電，預(yù)計將有一些額外的實體和能力，從根本上擴(kuò)大認(rèn)知無線電物理層技術(shù)。討論了相關(guān)的設(shè)計問題和未來的網(wǎng)絡(luò)電臺，新的動態(tài)頻譜接入模式有很多的挑戰(zhàn)，也擁有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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