第一章緒論
隨著無線通信技術的發展，使得頻譜資源變得尤為緊張。並且越來越多的人通過無線區域網技術、無線個域網絡技術，以無線的方式接入網際網路。這些網絡技術大都使用非授權的頻段工作，可以使用的頻譜資源相當有限。然而研究卻發現，大部分授權頻譜資源的利用率卻很低。為了解決頻譜資源匱乏的問題，提高現有頻譜的利用率，一些學者提出了認知無線電的概念。它的基本出發點是使具有認知功能的無線通信設備以機會式的方式工作在“頻譜空洞”內，並且非授權用戶的接入不能對已授權頻段內用戶通信造成干擾。認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”併合理利用的能力。
1.1課題的研究背景
無線通信不斷朝著寬頻化、無縫化、智能化的方向發展，使人們不得正視的一個問題就是頻譜資源的嚴重緊缺。傳統的無線資源是按照特定通信業務固定分配專用頻譜的方式，常常會出現頻譜資源分配不均，甚至浪費的情形，這與當前廣泛關注的頻譜資源短缺問題相互矛盾⑴。目前的固定式頻譜分配體制，將頻譜分為授權頻段和非授權頻段兩部分，大部分的頻譜資源被用來作為授權頻段，非授權頻段的頻譜資源要少得多。例如目前很多國家差不多已經將本國的可用頻譜資源分配完畢，留給新的系統、業務和技術的頻譜非常少或者沒有頻譜可以分配。例如美國3kHz-300Gh2的頻譜分配情況如圖1-1所示[2]。美國聯邦通信委員會(FCC)的研究表明，授權頻譜的平均利用率範圍在15%-85%之間[3]。
目前的頻譜管理主要存在三個矛盾：1、頻譜資源的使用是動態的，但卻是固定分配的；2、頻譜很稀有，但利用率不高，並且存在大量空閒的頻譜資源；3、可分配的頻譜資源很少，但對其需求卻越來越多。為了解決以上矛盾，現在最實用的方法就是通過改變頻譜接入方武，從而開放頻譜使用，充分利用空閒頻譜，提高頻譜使用效率。並且如果能將已分配但空閒的頻譜資源加以利用，會使目前頻譜資源的緊張狀況得到極大的改善。但是開放頻譜必須保護已購買者的利益，同時不能對授權使用該頻譜的業務產生干擾。人們迫切希望找到一種新的頻譜接入方式，從而減小這一矛盾。使得用戶能在不干擾授權用戶的前提下，機會式地使用那些空閒的授權頻譜資源，以提高授權頻譜的使用效率。現有的解決方法主要有兩種，如圖1-2所示。一種方法就是在現有通信網絡的基礎上採用更為先進的技術，如鏈路自適應技術、先進的調製編碼技術以及多天線技術等；另一種是研究新的共享頻譜的網絡，這些頻譜共享技術，如工業、科學和醫用頻段開放接入、工作於3GHz?lOGHz頻段的超寬頻(UWB，Ultra-Wide Band)系統與傳統窄帶系統共存等技術通常應用於固定頻段的共享，或受限於發送功率的短距離通信。但是這些技術在提高頻譜利用率的同時卻增加了干擾，限制了通信系統的容量和靈活性。從而一種新的智能的頻譜共享技術 認知無線電(CR，Cognitive Radio)技術應運而生。
認知無線電的前提是軟體無線電。軟體無線電是Mitola於1992年明確提出來的，根據Mitola的定義I4]，理想的軟體無線電是一個有能力支持多重空中接口和協議的多波段無線電台，它的所有參數都是由軟體在通用的處理器上定義。軟體無線電是理想軟體無線電的一個折中方案：它是在現有的技術條件下用專用集成電路，現場可編程門列陣，數位訊號處理器和通用處理器進行適當混合來實現的。
認知無線電是建立在軟體無線電平台上的一種內容認知型的智能無線電，通過在無線域建模來擴展軟體無線電的功能，通過無線知識描述語言（RKRL，Radio KnowledgeRendering Language)來提高個人服務的靈活性。它能通過學習實現自我重配置，動態自適應通信環境的變化。
認知無線電的概念自1999年由Mitola博士首次提出後，不同的機構和學者從不同的角度給出了認知無線電的定義[5_7]，其中較有代表性的包括聯邦通信委員會和著名學者Haykin教授給出的定義。美國聯邦通信委員會（FCC)認為：“認知無線電是能夠基於對其工作環境的交互改變發射機參數的無線電”[8]。Haykin教授則從信號處理的角度出發[9]，認為認知無線電是可以認知外界通信環境的智能通信系統。認知無線電系統通過學習，不斷的認知外界的環境變化，並通過自適應的調整其自身內部的通信機理來實現對環境變化的適應，以達到改進系統的穩定性和提高頻譜資源利用率的目的。總的來說，認知無線電是一個智能的無線通信系統，他通過對周圍的無線環境的理解和學習，實時調整內部配置，以適應外部環境的變化。
認知無線電系統首先根據外部無線環境的射頻激勵，然後進行分析，接著調整內部配置，實現對外部環境變化的自適應，從而提高頻譜利用率和通信質量。目前認知無線網絡已成為國際標準化組織、研究機構和大學廣泛關注的熱點，各國分別投入大量經費，設立研究計劃和研究項目對其展開研究。
1.2 國內外研究現狀 ...............14-18
1.3 本文的內容安排 ...............18-20
第二章 認知無線電體系架構及頻譜分配 ...............20-25
2.1 認知無線網絡的體系架構 ...............20-21
2.2 認知無線電頻譜分配模型 ...............21-24
2.2.1 圖論著色模型 ...............21-22
2.2.2 博弈論模型 ...............22-23
2.2.3 拍賣競價模型 ...............23-24
2.3 本章小結 ...............24-25
第三章 基於列表著色的頻譜分配算法 ...............25-44
3.1 圖著色模型的數學建模 ...............25-28
3.2 列表著色算法 ...............28-30
3.2.1 分布式貪婪算法 ...............28
3.2.2 分布式公平算法 ...............28-30
3.3 加權頻譜分配算法 ...............30-36
3.4 基於需求的改進加權分布式貪婪算法 ...............36-43
3.4.1 提出原因 ...............36-37
3.4.2 改進算法的原理與實現流程 ...............37-40
3.4.3 仿真結果與分析 ...............40-43
3.5 本章小結 ...............43-44
第四章 基於敏感著色的頻譜分配算法...............44-55
4.1 敏感著色算法 ...............44-50
4.1.1 算法原理以及流程 ...............44-48
4.1.2 仿真結果與分析 ...............48-50
4.2 基於用戶需求的改進敏感著色算法 ...............50-53
4.2.1 改進算法提出背景 ...............50
4.2.2 算法原理以及流程 ...............50-51
4.2.3 仿真結果與分析 ...............51-53
4.3 兩種改進型算法之間的對比分析 ...............53-54
4.4 本章小結 ...............54-55
結論
伴隨著目前頻譜資源的日益緊缺，人們己經提出了許多解決方案，其中認知無線電就是解決該問題的技術之一。目前認知無線電的應用還處在起步階段，但認知無線電技術對未來的頻譜資源使用是一項不可或缺的技術。能否有效的使用動態變化的頻譜資源是決定認知無線電系統性能的關鍵，所以頻譜分配方案是認知無線電的一項重要技術，具有重要的研究意義。總的來說，本文的主要工作包括以下幾個方面：
1、再現了基於列表著色的分布式貪婪算法(DGA)與分布式公平算法(DFA)以及加權分布式貪婪算法(WDGA)與加權分布式公平算法(WDFA)。DGA與DFA這兩種算法的目標是在現有的干擾約束條件下得到最大的頻段分配數量。而WDGA與WDFA結合了信道權值，更加適用於實際的網絡環境。本文對這四種算法的原理、流程都做了詳細介紹。並對其進行了仿真驗證。
2、提出了基於用戶需求的改進加權分布式貪婪算法。該算法是針對WDGA算法沒有考慮各用戶需求的不同而提出的。基於用戶需求的改進加權分布式貪婪算法結合了用戶需求的因素，有助於增加頻譜利用率以及更大限度的滿足用戶需求的目標。本文詳細介紹了該算法的原理、算法流程。仿真結果表明該算法有效的增加了用戶滿意度與頻帶利用率，付出的代價是增加了系統的時間開銷。
隨著無線通信技術的發展，使得頻譜資源變得尤為緊張。並且越來越多的人通過無線區域網技術、無線個域網絡技術，以無線的方式接入網際網路。這些網絡技術大都使用非授權的頻段工作，可以使用的頻譜資源相當有限。然而研究卻發現，大部分授權頻譜資源的利用率卻很低。為了解決頻譜資源匱乏的問題，提高現有頻譜的利用率，一些學者提出了認知無線電的概念。它的基本出發點是使具有認知功能的無線通信設備以機會式的方式工作在“頻譜空洞”內，並且非授權用戶的接入不能對已授權頻段內用戶通信造成干擾。認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”併合理利用的能力。
1.1課題的研究背景
無線通信不斷朝著寬頻化、無縫化、智能化的方向發展，使人們不得正視的一個問題就是頻譜資源的嚴重緊缺。傳統的無線資源是按照特定通信業務固定分配專用頻譜的方式，常常會出現頻譜資源分配不均，甚至浪費的情形，這與當前廣泛關注的頻譜資源短缺問題相互矛盾⑴。目前的固定式頻譜分配體制，將頻譜分為授權頻段和非授權頻段兩部分，大部分的頻譜資源被用來作為授權頻段，非授權頻段的頻譜資源要少得多。例如目前很多國家差不多已經將本國的可用頻譜資源分配完畢，留給新的系統、業務和技術的頻譜非常少或者沒有頻譜可以分配。例如美國3kHz-300Gh2的頻譜分配情況如圖1-1所示[2]。美國聯邦通信委員會(FCC)的研究表明，授權頻譜的平均利用率範圍在15%-85%之間[3]。
目前的頻譜管理主要存在三個矛盾：1、頻譜資源的使用是動態的，但卻是固定分配的；2、頻譜很稀有，但利用率不高，並且存在大量空閒的頻譜資源；3、可分配的頻譜資源很少，但對其需求卻越來越多。為了解決以上矛盾，現在最實用的方法就是通過改變頻譜接入方武，從而開放頻譜使用，充分利用空閒頻譜，提高頻譜使用效率。並且如果能將已分配但空閒的頻譜資源加以利用，會使目前頻譜資源的緊張狀況得到極大的改善。但是開放頻譜必須保護已購買者的利益，同時不能對授權使用該頻譜的業務產生干擾。人們迫切希望找到一種新的頻譜接入方式，從而減小這一矛盾。使得用戶能在不干擾授權用戶的前提下，機會式地使用那些空閒的授權頻譜資源，以提高授權頻譜的使用效率。現有的解決方法主要有兩種，如圖1-2所示。一種方法就是在現有通信網絡的基礎上採用更為先進的技術，如鏈路自適應技術、先進的調製編碼技術以及多天線技術等；另一種是研究新的共享頻譜的網絡，這些頻譜共享技術，如工業、科學和醫用頻段開放接入、工作於3GHz?lOGHz頻段的超寬頻(UWB，Ultra-Wide Band)系統與傳統窄帶系統共存等技術通常應用於固定頻段的共享，或受限於發送功率的短距離通信。但是這些技術在提高頻譜利用率的同時卻增加了干擾，限制了通信系統的容量和靈活性。從而一種新的智能的頻譜共享技術 認知無線電(CR，Cognitive Radio)技術應運而生。
認知無線電的前提是軟體無線電。軟體無線電是Mitola於1992年明確提出來的，根據Mitola的定義I4]，理想的軟體無線電是一個有能力支持多重空中接口和協議的多波段無線電台，它的所有參數都是由軟體在通用的處理器上定義。軟體無線電是理想軟體無線電的一個折中方案：它是在現有的技術條件下用專用集成電路，現場可編程門列陣，數位訊號處理器和通用處理器進行適當混合來實現的。
認知無線電是建立在軟體無線電平台上的一種內容認知型的智能無線電，通過在無線域建模來擴展軟體無線電的功能，通過無線知識描述語言（RKRL，Radio KnowledgeRendering Language)來提高個人服務的靈活性。它能通過學習實現自我重配置，動態自適應通信環境的變化。
認知無線電的概念自1999年由Mitola博士首次提出後，不同的機構和學者從不同的角度給出了認知無線電的定義[5_7]，其中較有代表性的包括聯邦通信委員會和著名學者Haykin教授給出的定義。美國聯邦通信委員會（FCC)認為：“認知無線電是能夠基於對其工作環境的交互改變發射機參數的無線電”[8]。Haykin教授則從信號處理的角度出發[9]，認為認知無線電是可以認知外界通信環境的智能通信系統。認知無線電系統通過學習，不斷的認知外界的環境變化，並通過自適應的調整其自身內部的通信機理來實現對環境變化的適應，以達到改進系統的穩定性和提高頻譜資源利用率的目的。總的來說，認知無線電是一個智能的無線通信系統，他通過對周圍的無線環境的理解和學習，實時調整內部配置，以適應外部環境的變化。
認知無線電系統首先根據外部無線環境的射頻激勵，然後進行分析，接著調整內部配置，實現對外部環境變化的自適應，從而提高頻譜利用率和通信質量。目前認知無線網絡已成為國際標準化組織、研究機構和大學廣泛關注的熱點，各國分別投入大量經費，設立研究計劃和研究項目對其展開研究。
1.2 國內外研究現狀 ...............14-18
1.3 本文的內容安排 ...............18-20
第二章 認知無線電體系架構及頻譜分配 ...............20-25
2.1 認知無線網絡的體系架構 ...............20-21
2.2 認知無線電頻譜分配模型 ...............21-24
2.2.1 圖論著色模型 ...............21-22
2.2.2 博弈論模型 ...............22-23
2.2.3 拍賣競價模型 ...............23-24
2.3 本章小結 ...............24-25
第三章 基於列表著色的頻譜分配算法 ...............25-44
3.1 圖著色模型的數學建模 ...............25-28
3.2 列表著色算法 ...............28-30
3.2.1 分布式貪婪算法 ...............28
3.2.2 分布式公平算法 ...............28-30
3.3 加權頻譜分配算法 ...............30-36
3.4 基於需求的改進加權分布式貪婪算法 ...............36-43
3.4.1 提出原因 ...............36-37
3.4.2 改進算法的原理與實現流程 ...............37-40
3.4.3 仿真結果與分析 ...............40-43
3.5 本章小結 ...............43-44
第四章 基於敏感著色的頻譜分配算法...............44-55
4.1 敏感著色算法 ...............44-50
4.1.1 算法原理以及流程 ...............44-48
4.1.2 仿真結果與分析 ...............48-50
4.2 基於用戶需求的改進敏感著色算法 ...............50-53
4.2.1 改進算法提出背景 ...............50
4.2.2 算法原理以及流程 ...............50-51
4.2.3 仿真結果與分析 ...............51-53
4.3 兩種改進型算法之間的對比分析 ...............53-54
4.4 本章小結 ...............54-55
結論
伴隨著目前頻譜資源的日益緊缺，人們己經提出了許多解決方案，其中認知無線電就是解決該問題的技術之一。目前認知無線電的應用還處在起步階段，但認知無線電技術對未來的頻譜資源使用是一項不可或缺的技術。能否有效的使用動態變化的頻譜資源是決定認知無線電系統性能的關鍵，所以頻譜分配方案是認知無線電的一項重要技術，具有重要的研究意義。總的來說，本文的主要工作包括以下幾個方面：
1、再現了基於列表著色的分布式貪婪算法(DGA)與分布式公平算法(DFA)以及加權分布式貪婪算法(WDGA)與加權分布式公平算法(WDFA)。DGA與DFA這兩種算法的目標是在現有的干擾約束條件下得到最大的頻段分配數量。而WDGA與WDFA結合了信道權值，更加適用於實際的網絡環境。本文對這四種算法的原理、流程都做了詳細介紹。並對其進行了仿真驗證。
2、提出了基於用戶需求的改進加權分布式貪婪算法。該算法是針對WDGA算法沒有考慮各用戶需求的不同而提出的。基於用戶需求的改進加權分布式貪婪算法結合了用戶需求的因素，有助於增加頻譜利用率以及更大限度的滿足用戶需求的目標。本文詳細介紹了該算法的原理、算法流程。仿真結果表明該算法有效的增加了用戶滿意度與頻帶利用率，付出的代價是增加了系統的時間開銷。