认知无线电综述

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1、认知无线电网络的MAC层关键技术摘要：目的：为了达到在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用，认知无线电网络的媒体接入控制MAC层需要在具有传统服务功能的基础上，增加一套全新的功能。方法：频谱检测管理通过对检测模式的选取、检测周期及检测时长的设置、检测信道的选取和检测静默期的设置等实现检测策略和参数的选取及优化。接入控制主要采用与授权用户协调接入和透明接入两种方式避免与授权用户的接入产生碰撞。动态频谱分配针对二进制干扰模型和累积干扰模型进行不确定频谱资源的优化分配。安全机制通过增加MAC帧的认证和保密以

2、防御MAC层的安全攻击。结论：跨层设计结合物理层和网络层、传输层等上层信息设计和实现全局优化的MAC层技术可以解决机会式频谱利用。1、提出问题：认知无线电(CR)技术通过对授权频谱进行“二次利用”的方式，有效地缓解了频谱资源缺乏与日益增长的无线接入需求之间的矛盾，越来越受到人们的关注。为实现CR用户利用频谱空穴的同时避免对授权用户造成有害干扰，要求CR网络的媒体接入控制(MAC)层不仅提供传统的服务，如媒体接入控制和健壮的数据传输，还能支持一套全新的功能，即在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用。2、

3、分析问题：通过探究MAC层的频谱检测管理、接入控制、动态频谱分配、安全机制及跨层设计等各个方面可以找出解决上述问题的方法。2.1、MAC层频谱检测管理功能：控制物理层频谱检测算法的执行，如决定检测哪些信道、何时检测等。研究方向：关注检测策略和检测参数的选取及优化，包括检测模式的选取、检测周期及检测时长的设置、检测信道的选取和检测静默期的设置等。检测模式的分类：根据CR用户检测时机的不同，检测模式可分为周期检测和按需检测。周期检测：CR用户按一定的周期检测信道，而不仅是有数据发送时才进行检测。优点：这种方式可周期

4、性地收集信道的状态信息，利于估计信道状态，快速定位频谱空穴。按需检测则：当CR用户有数据要发送时才去检测信道。相比周期检测，优点：按需检测减少了不必要的检测开销，缺点：但检测到频谱空穴的时间较长。解决方法：文献[1]依据“能量效率”原则，通过对检测所消耗能量和寻找空闲信道所需延时进行折衷，实现了检测模式的自适应选择。在周期检测中，选择合适的检测周期十分关键，原因：若检测周期过大，则会因无法检测到某些空闲频谱，而损失掉一些接入机会，同时也会因未能及时检测到授权用户的出现而产生有害干扰；若检测周期过小，则会导致过于

5、频繁的检测，消耗不必要的能量。周期检测通常包括同步周期检测和异步周期检测两种机制。同步周期检测机制为所有信道设置相同检测起始时间和相同检测周期，实现简单，缺乏灵活性；相对应的，异步周期检测机制灵活性受到了更多的关注。基于固定检测周期的检测机制：文献[1]以最小化损失接入机会为优化目标，提出了一种自适应的异步检测周期优化算法。算法针对每个信道分别自适应设置其检测周期，对于减小定位空闲频谱时长，最大化利用接入机会起到了一定作用，但对每个信道来说，检测周期仍然是固定间隔的，即最优检测周期一旦选定就不再改变。基于可变检

6、测周期(FSP)的检测机制：作为固定周期检测机制的推广，文献[2]提出了一种基于可变检测周期(FSP)的检测机制，引入了“检测间隔控制因子”，通过调整该因子实现在信道状态可能发生变化的区域缩小检测周期，提高检测的效率，体现了周期变化的灵活性。随机检测机制(RAPSS)：为将FSP机制的可变检测周期进一步推广到随机检测周期，文献[3]又引入了每隔一段随机时间进行检测的随机检测机制(RAPSS)，并提出了更具有一般性的检测周期优化模型(MRM-SPO)，同时考虑了实际应用中由物理层检测算法局限性引起的检测错误存在情

7、况，及为避免与授权用户频谱冲撞引入的CR用户延迟占用信道机制等对检测周期优化的影响。检测时长：作为周期检测的另一个主要参数，其设置的合适与否本质上是检测质量和检测速度折中的体现。缩短检测时长会导致检测质量下降；增大检测时长可提高检测质量，但同时会降低可用空闲频谱的利用率。检测时长除与底层硬件设备及物理层检测算法直接相关外，还可根据CR用户对空闲频谱的利用率、检测速度与检测性能折中[5]等指标进行选取和优化。检测信道的选取问题：为快速寻找频谱机会，除了对检测时长进行优化外，还涉及到检测信道的选取问题。现有关于选取

8、检测信道的研究主要包括以下几个方面：选取最有可能空闲的信道进行检测、优化信道检测顺序等。检测静默期的设置：检测静默期的设置也是MAC层频谱检测管理的重要研究内容。静默期的定义：从CR网络的角度考虑，CR用户检测CR网络内某一频谱时，所有系统内其他工作于这个频谱的用户都以确保CR用户自身的通信不会干扰到对授权用户信号的检测应需要保持静默的一段时间为静默期。静默期按照实现方式的不同可以分为