基于马尔可夫模型的认知无线电智能频谱接入算法

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1、-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1无线频谱资源使用现状随着信息时代的到来，无线服务如移动通信、公共安全、广播电视等的出现和广泛使用，标志着无线频谱已成为现代社会不可或缺甚至是比土地和矿藏更宝贵的资源。一般通信系统发射机和接收机的使用都需要政府批准，才能进入通信网络，因此那些没有授权的频段如无线局域网WLAN所在的2.4GHz-2.484GHz等，在无线技术的发展中起着关键作用，成为许多重大革新的发源地，由此产生的一系列突破性的成功以及由之带来的许多先进技术使得制定标准的组织(如美国电气电子工

2、程师学会IEEE、美国联邦通信委员会FCC等)开始分析如今频谱的利用方式，以试图提高无线资源的利用率。2002年11月NFCC发布了频谱政策特别工作组SPTF(SpectrumPolicyTaskForce)递交的报告[1]，目的在于改善频谱管理方式。事实上在许多频段，频谱接入是比频谱物理稀缺更重要的问题。如果我们对城市地区和乡村偏远地区进行无线频谱扫描就会发现FCC的固定频谱分配政策某些频段大部分时间里是空闲的，一些频段只是有时被占用，剩余频段则被过度使用。根据FCC[1][3][4]研究表明：频谱的利

3、用在时空上变化范围从15%--85%，也就是说：一方面，日益增长的无线业务对无线频谱资源的需求不断增长，导致可用频谱资源日益紧缺；另一方面，大量授权无线频谱却被闲置或者利用率极低，如图1-1所示。这就促使FCC重新审视频谱管理的传统方法。他们不仅意识到在特定的授权频带频谱利用率很低，而且意识到无线资源的缺乏大大阻碍了无线通信的发展，使得包括宽带接入、公共安全、卫生保健、商业以及娱乐方面的应用无频率资源可用。为了改变这个局面，人们研究解决方法的同时提出了下一代网络(xGnetwork，NextGenerat

4、ionNetwork)的概念[2]，也被称为动态频谱接入网络(DSANs，DynamicSpectrumAceessNetwork)或者认知无线电网络(CRnetwork，CognitiveRadioNetwork)[2],[5]-[7]。这种网络之所以能有效解决当前频谱稀缺的问题是因为它根本上改变了当前固定频谱使用的方式，利用CR技术，利用动态的频谱接入和使用方式，可以不干扰授权用户即主用户，采用随机接入的方式实现不同用户间频谱共享，提高频谱利用率。-1----哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-1频谱

5、利用率图Fig.1-1Spectrumutilization1.1认知无线电的定义和发展概述2.4认知无线电定义认知无线电[2][5](CognitiveRadio，CR)最早是JosephMitolaⅢ博士通过对软件无线电(SoftwareRadio，SR)概念的延伸提出的。1999年，JosephMitolaⅢ博士在发表的一篇学术论文中描述了如何通过一种“无线电知识描述语言(RKRL:RadioKnowledgeRepresentationLanguage)”的新语言来提高个人无线业务的灵活性，给出了

6、无线认知环的推理模型，并提出了频谱池(SpectrumPooling)的概念，指出采用频谱池技术能够拓展系统的可用带宽，并介绍了如何通过认知无线电技术实现频谱池。为了实现认知无线电与外界环境良好的交互功能，JosephMitolaⅢ在其博士论文里提出了认知环的概念，如图1-2所示。外界激励作为一种干扰进入认知无线电系统，并被分配到认知环中等待响应。认知无线电系统不断地经历观察(Observe)、定位(Orient)、计划(Plan)、决定(Decide)与执行(Act)五种状态，每种状态均涉及人工智能学习

7、(Learn)。由于采用人工智能获取信息需要大量的运算，所以系统具有支持人工智能的睡眠周期(sleepEpoch)和祈祷周期(PrayerEpoch)。睡眠周期指一个相对较长的时间段(数分钟至数小时)，无线电在该时间段里被闲置，但具备足够功率处理数据。此时，无线电在不影响用户使用的情况下运行人工智能算法。若在该周期内没有被处理完的智能学习将会在祈祷周期内告知用户、主网络或设计者。在唤醒周期(WakeEpoch)内，认知无线电感应设备收到的新激励将会启动一个新的认知环。认知无线电通过解析接收信息实现对环境的

8、观察，包括对无线电广播的监听。-2----哈尔滨工业大学工学硕士学位论文任何提供环境感知信息的射频局域网(RadioFrequency-LocalAreaNetwork,RF-LAN)或其它短距离无线广播都会被解析。图1-2Mitola博士提出的认知环Fig.1-2Mitola’scognitivecircleFCC对CR功能的描述是一个相对简化的版本[8]。它建议任意一无线电只要能够具有自适应频谱感知功能就可称为是CR。针对