認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜切換算法研究綜述

馬　彬,包小敏,謝顯中

(1.重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué)重慶市計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

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認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜切換算法研究綜述

馬彬1,2,包小敏1,謝顯中2

(1.重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué)重慶市計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

無(wú)線頻譜資源的匱乏和多用戶爭(zhēng)用環(huán)境,導(dǎo)致認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜切換研究面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn).本文闡述了頻譜切換的基本原理,包括頻譜切換的概念和特征、頻譜切換的主動(dòng)決策和被動(dòng)決策分類、頻譜切換過程及建模抽象的方法等幾個(gè)方面.其次,重點(diǎn)以數(shù)學(xué)建模工具為主線,綜述了基于概率論、馬爾可夫過程、排隊(duì)論、模糊邏輯、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等5類代表性的頻譜切換算法,評(píng)述了學(xué)術(shù)界在各類頻譜切換算法上的重要研究成果;最后,基于對(duì)已有算法和研究成果的分析,總結(jié)了當(dāng)前研究中存在的非理想頻譜檢測(cè)、目標(biāo)信道選擇、空閑信道動(dòng)態(tài)性等主要問題,預(yù)測(cè)了頻譜切換的未來(lái)研究方向.

認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò);頻譜切換;切換方法;切換過程;抽象方法

1　引言

隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展,頻譜資源緊張的狀況日漸突出.新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和新業(yè)務(wù)層出不窮,非授權(quán)頻譜已經(jīng)被廣泛利用,這些非授權(quán)頻譜資源也漸趨飽和,然而相當(dāng)數(shù)量的授權(quán)頻譜資源的利用率卻非常低.認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤頻譜忙閑狀態(tài),并根據(jù)頻譜狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整用戶機(jī)會(huì)式接入頻譜,能有效的提高頻譜利用率.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Networks,CRN)中的無(wú)線用戶可以同時(shí)在授權(quán)和非授權(quán)頻譜上工作.在授權(quán)頻譜上進(jìn)行通信的授權(quán)用戶稱為主用戶(Primary User,PU).認(rèn)知用戶,即次用戶(Secondary User,SU),是不干擾主用戶,采用機(jī)會(huì)式接入頻譜進(jìn)行通信的用戶[1].空閑頻譜的動(dòng)態(tài)變化和各種業(yè)務(wù)不同的QoS要求是CRN面臨的兩個(gè)主要問題,這些問題可通過動(dòng)態(tài)頻譜管理[2]來(lái)解決.動(dòng)態(tài)頻譜管理主要分為頻譜感知、頻譜判決、頻譜共享和頻譜移動(dòng)性幾個(gè)方面.頻譜感知、頻譜判決、頻譜共享為次用戶高效的使用空閑頻譜提供了必要基礎(chǔ).頻譜的移動(dòng)性即頻譜切換是認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜高效利用非常關(guān)鍵的一環(huán).頻譜切換是要快速、高效地引導(dǎo)認(rèn)知用戶找到合適的頻段;是要考慮用戶的接入服務(wù)質(zhì)量需求和頻譜空洞的頻譜特征,以提高頻譜切換的成功率和空閑頻譜的利用率,進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量,降低阻塞率,提升通信系統(tǒng)性能.

2　認(rèn)知頻譜切換

2.1頻譜切換概念及特征

在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,次用戶可以機(jī)會(huì)性地接入主用戶的授權(quán)頻段傳輸數(shù)據(jù).當(dāng)主用戶未使用其授權(quán)頻譜時(shí),次用戶可以機(jī)會(huì)性地接入該空閑頻譜,但當(dāng)主用戶突發(fā)出現(xiàn)在該頻譜時(shí),次用戶必須在第一時(shí)間退出該頻譜并尋找到一個(gè)新的空閑頻譜繼續(xù)傳輸未傳完的數(shù)據(jù),而不能對(duì)主用戶造成干擾.這個(gè)過程在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中就稱之為頻譜切換[3,4].

頻譜切換的性能指標(biāo)直接體現(xiàn)了整個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的頻譜利用情況.目前,關(guān)注較多的指標(biāo)有切換時(shí)延、切換次數(shù)、中斷概率和阻塞率等.頻譜切換使次用戶不能連續(xù)的傳輸數(shù)據(jù),因此降低了次用戶傳輸數(shù)據(jù)的效率,產(chǎn)生了切換時(shí)延.切換時(shí)延包括感知時(shí)延、切換執(zhí)行時(shí)延、等待時(shí)延、沖突重傳時(shí)延等.感知時(shí)延是次用戶通過頻譜感知尋找空閑信道產(chǎn)生的時(shí)延.切換執(zhí)行時(shí)延是次用戶從當(dāng)前信道切換到目標(biāo)信道產(chǎn)生的時(shí)延.次用戶需要切換時(shí),如果沒有空閑信道可供切換則需要等待,因此會(huì)產(chǎn)生一定的等待時(shí)延.沖突重傳時(shí)延是主次用戶產(chǎn)生沖突后,重傳沖突部分的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的時(shí)延.頻譜切換中切換次數(shù)越少,切換所需的開銷就越少,次用戶的傳輸效率就越高.空閑頻譜密度和目標(biāo)信道的選擇算法都會(huì)影響切換次數(shù).次用戶的中斷概率和阻塞率也是頻譜切換中經(jīng)常討論的兩個(gè)性能指標(biāo).

2.2頻譜切換的分類

目前,頻譜切換的機(jī)制或者算法主要有主動(dòng)決策頻譜切換和被動(dòng)決策頻譜切換兩種.二者最大的區(qū)別在于目標(biāo)信道的獲得方式.主動(dòng)決策頻譜切換在切換之前先確定了含有多個(gè)候選信道的頻譜池,可及時(shí)切換,減少時(shí)延;而被動(dòng)決策頻譜切換是在切換發(fā)生時(shí)由次用戶實(shí)時(shí)感知頻譜,從而確定切換執(zhí)行的目標(biāo)信道.

在主動(dòng)決策頻譜切換中,按照長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)得到的流量統(tǒng)計(jì),次用戶會(huì)有一個(gè)候選信道集合,當(dāng)需要切換時(shí),采用合適的信道選擇算法選擇其一作為目標(biāo)信道.這種預(yù)先確定目標(biāo)信道的方案中建立候選信道池和選擇目標(biāo)信道是兩個(gè)關(guān)鍵問題.目前研究候選信道池的建立方案包括根據(jù)歷史信息統(tǒng)計(jì)得出或者通過某種預(yù)測(cè)得出,還可能與業(yè)務(wù)傳輸同步的頻譜感知有關(guān).目標(biāo)信道的選擇問題,實(shí)際上就提出合適的信道選擇算法來(lái)優(yōu)化頻譜切換的有效性.在被動(dòng)決策頻譜切換中,目標(biāo)信道是按需尋找的.當(dāng)次用戶的數(shù)據(jù)傳輸被中斷,次用戶才實(shí)時(shí)進(jìn)行頻譜感知找出可用的目標(biāo)信道.然后次用戶切換到其中一個(gè)空閑信道,繼續(xù)傳輸未傳完的數(shù)據(jù).這種即時(shí)的頻譜感知可以保證了目標(biāo)信道的準(zhǔn)確性,但是延長(zhǎng)了傳輸時(shí)間.

比較這兩種頻譜切換機(jī)制[5],被動(dòng)決策頻譜切換能保證目標(biāo)信道的可靠性,但是它的切換時(shí)延包括感知時(shí)延、握手時(shí)延和切換執(zhí)行時(shí)延.其中握手時(shí)延是為保證發(fā)送端和接收端的一致性所產(chǎn)生的時(shí)延.主動(dòng)決策頻譜切換雖然沒有感知時(shí)延和握手時(shí)延,但是它必須要保證目標(biāo)信道即時(shí)更新.從網(wǎng)絡(luò)負(fù)載上來(lái)比較,如果網(wǎng)絡(luò)比較繁忙,主動(dòng)決策頻譜切換中候選信道的狀態(tài)變化較快,而被動(dòng)決策頻譜切換保證了目標(biāo)信道的可靠性.因此,此時(shí)被動(dòng)決策頻譜切換比主動(dòng)決策頻譜切換更好.反之,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小時(shí),則用主動(dòng)決策頻譜切換更好.兩種頻譜切換機(jī)制的選擇不只與網(wǎng)絡(luò)的繁忙程度有關(guān),還與信道的鏈路特性、業(yè)務(wù)類型等都有關(guān)系.具體的優(yōu)劣情況見表1.

表1　兩種頻譜切換機(jī)制的比較

3　頻譜切換的過程與抽象

3.1頻譜切換的過程

頻譜切換過程可劃分為頻譜檢測(cè)及切換預(yù)判、切換頻譜的目標(biāo)信道選擇和切換執(zhí)行.頻譜檢測(cè)及切換預(yù)判就是實(shí)時(shí)檢測(cè)授權(quán)頻段的占用情況和主用戶的到達(dá)情況.根據(jù)次用戶傳輸情況和信道的特性對(duì)是否進(jìn)行切換做出預(yù)判.切換頻譜的目標(biāo)信道選擇就是在眾多可用的頻譜中選出一個(gè)最適合次用戶切換過去的信道.這個(gè)過程需要頻譜選擇算法來(lái)實(shí)現(xiàn).次用戶檢測(cè)到需要切換并且已找到最優(yōu)目標(biāo)信道,然后次用戶就可以切換到目標(biāo)信道中,即切換的執(zhí)行過程.切換執(zhí)行就是通過設(shè)計(jì)切換機(jī)制和更改傳輸參數(shù)來(lái)保證切換的執(zhí)行并提高系統(tǒng)的性能.切換執(zhí)行的方式有信道預(yù)留機(jī)制和Ad Hoc的方式.

3.2頻譜切換過程的抽象方法

在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中,通常將頻譜劃分為多個(gè)信道.主用戶和次用戶可以在各自的信道中傳輸數(shù)據(jù),也可以在不同時(shí)段中使用相同的信道.為了更直觀的說明頻譜切換的具體過程,如圖1所示,把網(wǎng)絡(luò)抽象成了時(shí)空兩個(gè)維度來(lái)研究,功率這個(gè)維度分成多個(gè)信道,時(shí)域維度分成了多個(gè)時(shí)隙.認(rèn)知用戶首先工作在頻譜①,當(dāng)頻譜①上主用戶出現(xiàn)時(shí),認(rèn)知用戶就切換到空閑頻譜④上,直到頻譜④上主用戶出現(xiàn),若此時(shí)認(rèn)知用戶需要繼續(xù)使用頻譜,則切換到空閑頻譜②上,如此循環(huán),直到認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)傳輸完成.

4　代表性的頻譜切換算法及其分析

在研究頻譜切換時(shí),主動(dòng)和被動(dòng)決策頻譜切換都需要借助一些數(shù)學(xué)方法和工具建立模型來(lái)分析主次用戶的頻譜利用情況.本節(jié)選取了五種代表性的頻譜切換算法,具體闡述了算法思想和分析過程.

4.1基于概率論的頻譜切換算法

早期的頻譜切換研究中,許多學(xué)者用一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析,例如獨(dú)立信道接入概率模型、伯努利接入過程、ON/OFF隨機(jī)過程等[6～14].這類算法通過概率論的統(tǒng)計(jì)方法估計(jì)出信道的忙閑狀態(tài),從而決定次用戶是否切換或切換到哪個(gè)信道中,進(jìn)一步做頻譜切換的性能分析.在具有代表性的文獻(xiàn)[8]中,作者建立了基于伯努利的接入模型,分析了次用戶鏈路保持概率.

利用伯努利過程描述主用戶到達(dá)信道的情況,分析頻譜切換的過程,從而得到頻譜切換的鏈路保持概率.鏈路保持概率是次用戶在切換中能完成傳輸?shù)母怕?假設(shè)次用戶的切換次數(shù)為N,總時(shí)隙為M,P為次用戶在某時(shí)隙不可用的概率.鏈路保持概率Pm可表示為:

pm?Pr{整個(gè)次用戶傳輸所需的切換次數(shù)小于N|M個(gè)傳輸時(shí)隙}

(1)

在主動(dòng)決策頻譜切換中,利用伯努利隨機(jī)過程可知,次用戶的鏈路保持概率為:

(2)

其中當(dāng)N→∞時(shí),pm=1.當(dāng)次用戶的切換次數(shù)N為無(wú)窮大時(shí),理論上次用戶最終能完成信息的傳輸.但次用戶所需的傳輸時(shí)間也為無(wú)窮大,在實(shí)際中意義不大.

在被動(dòng)決策頻譜切換中,次用戶的鏈路保持概率為:

(3)

本算法的優(yōu)點(diǎn):(1)建模簡(jiǎn)單;(2)考慮了主用戶對(duì)次用戶引起的多次中斷.缺點(diǎn):(1)假設(shè)條件過于苛刻,不能反映真實(shí)的頻譜切換過程;(2)主用戶的持續(xù)時(shí)間分布只能是指數(shù)分布,不適合其他分布.

4.2基于馬爾可夫過程的頻譜切換算法

文獻(xiàn)[15～31]利用馬爾可夫過程建模,分析頻譜切換過程.主次用戶的頻譜利用情況用離散或連續(xù)二維馬爾可夫鏈來(lái)建模分析[15～22].這里的二維分別代表CRN中主次用戶的總數(shù).多維馬爾可夫鏈模型[23～25]也能分析頻譜切換,新的維數(shù)通常代表信道狀態(tài)、排隊(duì)長(zhǎng)度、被干擾信道數(shù)等.文獻(xiàn)[26～28]中創(chuàng)新性的介紹了隱馬爾可夫鏈模型.結(jié)合馬爾可夫鏈和排隊(duì)論建立模型[29～31]能解決更多問題.

文獻(xiàn)[29]用馬爾可夫鏈和排隊(duì)論兩種算法建模,利用馬爾可夫鏈的馬爾可夫性來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)信道的狀態(tài),得出兩個(gè)信道間的切換概率和代價(jià),以頻譜切換的參數(shù)來(lái)分析切換的性能.為適應(yīng)不同時(shí)延要求的業(yè)務(wù),設(shè)定了兩級(jí)次用戶,假設(shè)一級(jí)次用戶的優(yōu)先級(jí)大于二級(jí)次用戶.因此用戶的優(yōu)先級(jí)有三級(jí),主用戶的優(yōu)先級(jí)最高,其次分別是一級(jí)次用戶和二級(jí)次用戶.

假設(shè)CRN中有M個(gè)獨(dú)立的信道Ch1,Ch2,…,ChM,目標(biāo)信道序列為sn=(s1,s2,s3,…,sn),si∈Ω,Ω={Ch1,Ch2,…,ChM}.切換的狀態(tài)傳輸路徑為s0→s1→s2→…→sn→End,其中End代表數(shù)據(jù)傳輸完成.pi,j和ci,j分別為狀態(tài)i到狀態(tài)j的傳輸概率和傳輸代價(jià).根據(jù)用戶的優(yōu)先級(jí)和排隊(duì)論的方法,一級(jí)次用戶的傳輸概率矩陣和代價(jià)矩陣分別為:

(4)

(5)

其中pPU為一級(jí)次用戶被中斷的概率,ρ為各種用戶的信道占用率.傳輸代價(jià)可等效為切換時(shí)延,進(jìn)一步可得一級(jí)次用戶的累積時(shí)延為:

(6)

本算法的優(yōu)點(diǎn):(1)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖能直觀表現(xiàn)頻譜切換的過程;(2)馬爾可夫的判決過程利于選擇目標(biāo)信道.缺點(diǎn):(1)主用戶服務(wù)時(shí)間分布只能是指數(shù)分布;(2)忽略了次用戶業(yè)務(wù)負(fù)載產(chǎn)生的影響,實(shí)際上次用戶過去和未來(lái)的決策都會(huì)影響信道的業(yè)務(wù)負(fù)載.

4.3基于排隊(duì)論的頻譜切換算法

在實(shí)際的CRN中,主次用戶有多個(gè),當(dāng)多個(gè)次用戶同時(shí)接入同一個(gè)信道時(shí),會(huì)出現(xiàn)沖突問題,基于排隊(duì)論的頻譜切換算法[32～38]能很好的解決這個(gè)問題.由于主次用戶具有不同的優(yōu)先級(jí),可用預(yù)置優(yōu)先級(jí)的排隊(duì)策略解決多個(gè)次用戶的沖突問題.

具有代表性的文獻(xiàn)[34]中構(gòu)建了搶占優(yōu)先恢復(fù)(Preemptive Resume Priority,PRP)M/G/1排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型.如果相同優(yōu)先級(jí)的用戶同時(shí)到達(dá)信道,采用先到先服務(wù)的策略.假設(shè)不存在信道復(fù)用和檢測(cè)錯(cuò)誤的情況,N為次用戶被中斷次數(shù),nmax為次用戶最大的被中斷次數(shù).則次用戶的平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為:

(7)

由排隊(duì)論模型可知,次用戶的平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為本身的服務(wù)時(shí)間和累積時(shí)延之和,進(jìn)一步可得以下公式:

(8)

(9)

(10)

本算法的優(yōu)點(diǎn):(1)考慮了次用戶業(yè)務(wù)負(fù)載對(duì)信道占用統(tǒng)計(jì)量的影響;(2)多種分布函數(shù)可作為主用戶的服務(wù)時(shí)間分布.不足之處是回避了次用戶的錯(cuò)誤檢測(cè)概率對(duì)頻譜切換的影響.

4.4基于模糊邏輯的頻譜切換算法

由于次用戶的頻譜感知存在虛警和誤警等情況,判斷是否進(jìn)行頻譜切換的信息不準(zhǔn)確、不全面,因此可用模糊邏輯的數(shù)學(xué)模型對(duì)頻譜切換模型[39～45].文獻(xiàn)[39]中提出了基于模糊邏輯的頻譜切換判決算法,其中包括兩個(gè)模糊邏輯控制器.如圖2所示,第一個(gè)模糊邏輯控制器估計(jì)次用戶和各個(gè)主用戶的距離,根據(jù)與主用戶距離來(lái)決定次用戶傳輸功率.第二個(gè)模糊邏輯控制器用于判斷次用戶是否執(zhí)行頻譜切換,并且通過修改傳輸功率能減少頻譜切換次數(shù).

在模糊邏輯理論中,首先要將輸入和輸出變量模糊化,用三個(gè)模糊集表示如下:

T(SSPU)=T(SNRPU)=T(PPSU)={Low,Medium,High}

(11)

然后通過模糊推理準(zhǔn)則得出在各種輸入條件下,輸出變量的模糊值,并列出表格.例如,當(dāng)SNRPU為“High”,SSPU為“Low”時(shí),則輸出變量PPSU為“High”.最后,采用去模糊化過程將輸出變量的模糊值還原為確定的值.

第二個(gè)模糊邏輯控制器的分析過程同上.在以下兩種情況下可執(zhí)行頻譜切換,(1)次用戶的QoS不能保證;(2)次用戶對(duì)主用戶造成干擾.并且通過變量MODPSU,能減少頻譜切換次數(shù),提高次用戶的服務(wù)質(zhì)量.

本算法的優(yōu)點(diǎn)有:(1)能減少頻譜切換次數(shù),提高次用戶的服務(wù)質(zhì)量;(2)可放寬假設(shè)條件,在感知信息不準(zhǔn)確、不全面的情況下進(jìn)行準(zhǔn)確的頻譜判決.不足之處是模糊邏輯控制器不能隨著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況的變化來(lái)調(diào)整自身的參數(shù).

4.5基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜切換的算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力,能處理不精確、不完全的模糊信息,有良好的容錯(cuò)性和高度的非線性.在頻譜切換中,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常與模糊邏輯理論相結(jié)合[46～48],采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)調(diào)整模糊邏輯控制器中參數(shù)的權(quán)重,從而提高了頻譜切換的性能.

文獻(xiàn)[46]中提出一種基于模糊神經(jīng)控制的切換判決算法.通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)隸屬度函數(shù)和模糊推理規(guī)則進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整.該算法在4.4節(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)模糊邏輯控制器的輸入?yún)?shù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)調(diào)整.自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示.中間3層實(shí)現(xiàn)模糊推理系統(tǒng)的功能.

網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元之間的權(quán)值調(diào)整過程,可通過最小均方算法實(shí)現(xiàn).利用梯度運(yùn)算,不斷更新神經(jīng)元的權(quán)值,達(dá)到自學(xué)習(xí)的目的.權(quán)重的遞推關(guān)系為:

wk+1=wk+u(-▽k)

(12)

其中wk+1為下一步的權(quán)值,wk為當(dāng)前的權(quán)值,u為學(xué)習(xí)參數(shù),-▽k為均方誤差曲面對(duì)應(yīng)wk的梯度.設(shè)dk為輸入單元第k次訓(xùn)練的期望輸出,wkxk為輸出單元第k次的實(shí)際輸出,則均方誤差的誤差函數(shù)為e=0.5×(dk-wkxk)2.定義梯度為:

(13)

進(jìn)一步計(jì)算可得權(quán)值調(diào)整關(guān)系式為:

wk+1=wk+u(dk-wkxk)xk

(14)

本算法的優(yōu)點(diǎn):(1)具有自學(xué)習(xí)功能,使頻譜切換更加準(zhǔn)確;(2)能處理非理想感知下的頻譜切換問題.不足之處是該算法容易與模糊邏輯理論結(jié)合,但是難以與其他研究算法結(jié)合.

4.6各種算法的比較

五種具有代表性的頻譜切換算法都是考慮頻譜切換的某種特性建立模型,這在一定程度上體現(xiàn)了研究頻譜切換的深入過程.各種算法的側(cè)重點(diǎn)不同,所研究的深入程度也不同.在研究過程中,要根據(jù)研究的具體內(nèi)容,選取合適的頻譜切換算法.表2對(duì)這五種算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較.

表2　各種頻譜切換算法的比較

5　當(dāng)前問題及未來(lái)展望

5.1當(dāng)前研究問題分析

雖然頻譜切換只是認(rèn)知無(wú)線電中的一部分,但頻譜感知、頻譜共享等多個(gè)技術(shù)都對(duì)切換性能產(chǎn)生重要影響.目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頻譜切換的基本原理、性能特征、模型構(gòu)建等方面做了大量的研究,但是在實(shí)際的切換中還存在很多突發(fā)的未知情況,需要進(jìn)一步的深入分析.頻譜切換的研究仍然存在以下幾個(gè)問題:

(1)頻譜感知準(zhǔn)確性和效率問題在很大程度上能影響頻譜切換的性能.在本文第4節(jié)綜述的基于概率論、馬爾可夫和排隊(duì)論等頻譜切換算法的研究中,大多數(shù)都沒考慮頻譜檢測(cè)中發(fā)生誤警和虛警等情況.但是在實(shí)際的CRN中不可避免的存在虛警和誤警等非理想頻譜檢測(cè)的情況.非理想的頻譜檢測(cè)會(huì)使頻譜切換不準(zhǔn)確,引起更多的不確定問題.因此,在研究頻譜切換問題的同時(shí),也要考慮到非理想頻譜檢測(cè)對(duì)頻譜切換的影響.

(2)當(dāng)存在多個(gè)空閑信道進(jìn)行切換時(shí),選擇不同的目標(biāo)信道對(duì)頻譜切換的性能有很大影響.4.2節(jié)中分析的頻譜切換算法就是利用馬爾可夫過程預(yù)測(cè)信道狀態(tài),選出最優(yōu)目標(biāo)信道.但是,目標(biāo)信道選擇算法與其他建模方法的結(jié)合,以及降低算法復(fù)雜度等問題都需要進(jìn)一步研究,致力于找出更加優(yōu)化的目標(biāo)信道選擇算法.一旦選出最佳目標(biāo)信道,下一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種新的頻譜移動(dòng)性和連接管理方法以減少信道切換所造成的延時(shí)和性能下降.

(3)空閑的授權(quán)頻譜隨時(shí)間不停的變化,這會(huì)使切換時(shí)延和切換次數(shù)增加,從而降低頻譜切換的性能.第4節(jié)中分析的幾種代表性的頻譜切換算法,很多都是通過不同的數(shù)學(xué)方法建模,分析頻譜切換的性能指標(biāo),以此來(lái)判斷是否保證了次用戶的QoS.因此,在動(dòng)態(tài)變化的認(rèn)知環(huán)境中,保證次用戶的QoS是頻譜切換的又一個(gè)挑戰(zhàn).

(4)從幾種具有代表性的頻譜切換算法的模型構(gòu)建分析可以看出,很多頻譜切換算法對(duì)模型的構(gòu)建比較理想化,不能完全體現(xiàn)CRN復(fù)雜的信道變化狀態(tài).一旦不滿足該模型限制的條件,這種頻譜切換算法將不能實(shí)現(xiàn).因此,更通用全面的模型構(gòu)建也是當(dāng)前存在的問題.

5.2未來(lái)研究方向展望

縱觀上述研究進(jìn)展,并分析了當(dāng)前研究存在的挑戰(zhàn),著眼于提高頻譜資源的實(shí)際利用效率和保證主次用戶的QoS,未來(lái)值得重點(diǎn)關(guān)注的方向可概括為以下四個(gè)方面:

(1)頻譜檢測(cè)的虛警和誤警概率會(huì)導(dǎo)致頻譜切換存在更多不準(zhǔn)確問題,大大降低了CRN的性能,嚴(yán)重阻礙了CRN在實(shí)際環(huán)境中的發(fā)展和運(yùn)用.研究存在誤警和虛警的頻譜切換算法成為未來(lái)重點(diǎn)研究方向之一.這需要著重考慮以下兩個(gè)方面:(a)優(yōu)化頻譜感知方法,減小頻譜檢測(cè)誤差;(b)在頻譜切換建模過程中,應(yīng)考慮誤警和虛警對(duì)頻譜切換的影響.從而推動(dòng)CRN的進(jìn)一步完善,加快其商用的步伐.

(2)目標(biāo)信道的選擇嚴(yán)重影響頻譜切換性能,制約CRN的發(fā)展.未來(lái)的研究課題應(yīng)提出更高性能的目標(biāo)信道選擇算法.目標(biāo)信道選擇算法的核心是選出最優(yōu)的目標(biāo)信道,這將有助于提高頻譜切換的性能,進(jìn)一步推動(dòng)CRN的發(fā)展.

(3)通信業(yè)務(wù)越來(lái)越多樣化,不同類型的業(yè)務(wù)對(duì)CRN提出了不同的要求.對(duì)不同要求的業(yè)務(wù)應(yīng)該提出相應(yīng)的頻譜切換算法,才能滿足次用戶的QoS要求.如果CRN不能保證次用戶的QoS,那么研究CRN變得沒有意義.所以,各種QoS要求的業(yè)務(wù)對(duì)頻譜切換的影響都會(huì)成為未來(lái)的研究方向,為實(shí)現(xiàn)多樣化的CRN奠定了基礎(chǔ).

(4)為適應(yīng)CRN復(fù)雜的信道變化狀態(tài),有必要對(duì)數(shù)學(xué)模型做出以下改進(jìn):(a)在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究,重點(diǎn)在放寬模型的假設(shè),使頻譜切換模型更加接近實(shí)際的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò);(b)進(jìn)一步探討新的數(shù)學(xué)方法來(lái)解決頻譜切換中的問題.簡(jiǎn)單而高效的數(shù)學(xué)模型能促進(jìn)對(duì)頻譜切換的研究,使進(jìn)一步提高CRN的性能成為可能.

6　結(jié)束語(yǔ)

CRN中的頻譜切換在近幾年受到越來(lái)越多的關(guān)注,本文主要從以下四個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有工作做了回顧與總結(jié):(1)簡(jiǎn)單介紹了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中頻譜切換的相關(guān)概念、特征和分類情況.(2)詳細(xì)分析并討論了頻譜切換的具體過程和抽象方法.(3)以數(shù)學(xué)建模工具為主線,重點(diǎn)分析了具有代表性的包括基于概率論、馬爾可夫、排隊(duì)論、模糊邏輯和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等頻譜切換的算法,并比較了這五種算法的優(yōu)劣.(4)提出了頻譜切換當(dāng)前所面臨的問題以及未來(lái)的研究方向.目前頻譜切換的研究仍處于初級(jí)階段,尚有許多工作需要繼續(xù)深入的分析和研究.

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馬彬男,1978年出生,四川人.博士,重慶郵電大學(xué)副教授,主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、不確定智能算法等.

E-mail:mab-cqupt@sina.com

包小敏女,1990年出生,重慶人.現(xiàn)為重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生.主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電.

E-mail:baoxiaomin19900526@163.com

謝顯中男,1965年出生,四川人.重慶郵電大學(xué)博士/教授/博士生導(dǎo)師/重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任.主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電、無(wú)線通信技術(shù)等.

E-mail:xiexzh@cqupt.edu.cn

Spectrum Handoff Algorithm in Cognitive Radio Networks:A Survey

MA Bin1,2,BAO Xiao-min1,XIE Xian-zhong2

(1.ChongqingKeyLaboratoryofMobileCommunicationsTechnology,ChongqingUniversityofPostandCommunications,Chongqing400065,China;2.ChongqingKeyLaboratoryofComputerNetworkandCommunicationTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

The research of the cognitive radio networks is facing rigorous challenges with the insufficience of the radio spectrum resources and multi-user contention environment.The fundamental principles of the spectrum handoff was elaborated,including the concepts and characteristics of the spectrum handoff,the classification of the proactive and reactive decisions of the spectrum handoff,spectrum handoff process abstract modeling methods,etc.Then five spectrum handoff algorithms based on the probability theory,Markov process,queuing theory,fuzzy logic,fuzzy neural network,were summarized,which were mainly on the ground of mathematic modeling tools.Some significant research findings of each spectrum handoff algorithm in the academic circle were reviewed.Finally,on account of the analysis of the existing algorithms and research achievements,some important problems of imperfect spectrum detection,target channel selection,idle channel dynamic character that were existed in the current research were summarized and the future research direction of the spectrum handoff were predicted.

cognitive radio networks;spectrum handoff;handoff approach;handoff process;abstract approach

2014-12-17;修回日期:2015-02-04;責(zé)任編輯:覃懷銀

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61271259,No.61301123,No.61471076);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(No.KJ130536);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(No.IRT1299);重慶市科委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

TN929.5

A

0372-2112 (2016)06-1496-08