徐 迪

(西安電子科技大學數(shù)學與統(tǒng)計學院，陜西西安 710071)

傳統(tǒng)上，頻譜分配政策是為已經(jīng)授權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作良好，近年來無線服務的激增暴露了這個政策的缺點:一方面導致頻譜匱乏;另一方面，大量的授權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PUs開始利用一個波段時，SUs得避讓PUs。

在認知無線電技術的最新進展下DSA認知無線電技術成為可能。認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，認知無線電可以感知周圍頻譜環(huán)境并相應地適應無線參數(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和認知無線電的研究工作。也有相當多的關于無線電或DSA網(wǎng)絡方面的調查研究［1］。雖然這些調查研究主要集中在認知無線電網(wǎng)絡的網(wǎng)絡設計問題，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)。要應對這些挑戰(zhàn)，一個新的DSA模型至關重要，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模型應考慮政治，社會，經(jīng)濟和技術等因素。為支持未來的DSA模型，需要額外的組件和功能，以提高認知無線電性能。把未來有更廣應用能力的認知無線電稱為網(wǎng)絡無線電。

1 DSA模型

目前總共有3種DSA模型Interweave，Underlay和Overlay［2］。Interweave DSA模型是本文主要學習研究的DSA模型之一，也是DSA業(yè)界約定俗成的標準。它與Underlay和Overlay模型的區(qū)別在于:只要PU還在這個被授權的頻譜帶中活動，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模型也被稱為機會頻譜接入，此情況下SU受限制地投機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，把認知無線電轉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PU是否訪問，遭受來自所有次級用戶累計的干預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傳播，以至于對在每一個授權頻段上的次級用戶的干擾遠低于閾值。這是采取的超寬帶(UWB)技術的方法。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接收機接收的總功率，使得沖突信號和噪聲比(SINR)在PU接收機上不會降低。此外，SU發(fā)射機可以使用臟紙編碼來對SU的數(shù)據(jù)包進行預編碼，這樣由PS數(shù)據(jù)包傳送引起的對SU接收機干擾就不存在了。Overlay DSA模型的另一種方法是使用網(wǎng)絡編碼［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。當轉播PU數(shù)據(jù)包時，SU可以通過網(wǎng)絡編碼把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PU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行合作。通過信道編碼方法，SU傳送機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］?？傊?，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行通信。本地感知有3個主要的技術: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。能量檢測技術降低了計算復雜度，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假定PU信號的相關屬性是已知的，它將接收到的信號與已知PU信號相結合，以比特率來對輸出結果采樣以檢測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］。這種技術來自一個事實，因為它們的方法和自相關性表現(xiàn)出周期性。除了3個主要的技術，最近其他幾個技術已被開發(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，當一個SU嘗試發(fā)送一個SU的數(shù)據(jù)包，如果該PU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果和轉讓數(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［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。

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，假設不僅單跳網(wǎng)絡，多跳DSA網(wǎng)絡中也有相當多的頻譜共享研究［11－12］。通過多跳DSA網(wǎng)絡，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 當前DSA挑戰(zhàn)和突破

利用今天的技術，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、陰影效應和無線電干擾污染水平日益嚴重的影響，準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)，包括復雜的控制和協(xié)調，由于交換延遲關注新的檢測數(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［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，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。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，并很難被檢測到和計數(shù)器測量。所有這些問題，導致行業(yè)投資動態(tài)頻譜接入的經(jīng)濟回報是不確定的。總之，技術進步和經(jīng)濟回報的不確定性，防止?jié)撛诘姆仗峁┥毯凸炭紤]動態(tài)頻譜接入技術，設備和基礎設施的大規(guī)模投資。

除了這些挑戰(zhàn)，從技術的角度來看，或許來自不同的成員之間的動態(tài)頻譜接入:決策者，學術界，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。

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制為主要用戶合作。事實上，PU對有DSA一種內在的敵視，為了消除敵意，關鍵設計的鼓勵機制，以彌補PU參加DSA的合作中損失。有了補償，主要用戶可以在DSA中合作，因此它可以顯著降低技術的挑戰(zhàn)和促進的動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡的部署。從技術和政策兩方面，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)絡編碼并不總是有顯著的增益，并且它也招致額外開銷和復雜性的。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也考慮利用激勵機制來提高頻譜效率和擴大對授權頻段的接入。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用建立一個頻譜創(chuàng)新基金，這種基金可以用于補償頻譜持有人，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

預計未來的動態(tài)頻譜接入模型，以滿足不同的利益。因此，認知無線電，動態(tài)頻譜接入技術是有利的，預計將在未來更強大。設想未來的認知無線電將由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)絡拓撲結構的認識、網(wǎng)絡編碼、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域和技術，友好地共存于一個頻段。此外，由于動態(tài)頻譜可用性，認知無線電的動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡的拓撲結構需要注意，以確保高的性能和質量的服務。網(wǎng)絡編碼將添加額外的功能，以充分利用認知無線電的干擾，并提供獎勵機制對PU和SUS。認知無線電也將能夠進行跨層優(yōu)化，使得頻譜感知和信道切換的網(wǎng)絡拓撲結構的形成和適應配合，以優(yōu)化的網(wǎng)絡范圍內的或端到端的服務的性能和質量。

對未來的DSA，還存在許多設計問題。例如:主要用戶設計的合作機制和權衡分析。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。這種合作應如何經(jīng)常提供?應考慮哪些指標?考慮的性能指標的激勵機制，其他指標也應考慮，如主要用戶網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，延遲，用戶體驗等。

6 結束語

回顧了動態(tài)頻譜接入(DSA)，并討論了當前的動態(tài)頻譜接入所面臨的挑戰(zhàn)和突破。認為應對這些挑戰(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，認知無線電，預計將有一些額外的實體和能力，從根本上擴大認知無線電物理層技術。討論了相關的設計問題和未來的網(wǎng)絡電臺，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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