基于认知无线电的高效频谱利用技术

图1 频谱感知技术的分类

3。2 频谱管理
认知无线电通过频谱感知功能探测到的未被使用的频带可能分散在包括许可频带和非许可频带的很广的频域上，它们具有不同的诸如中心频率、带宽等动态频谱特征，并且能被使用的时间也不同。因此，频谱管理最主要的问题是设计一个有效的、高效的利用频谱的自适应策略。比如，假设存在一组可用频谱孔，动态频谱管理在CR不能达到用户要求（如满足不了FER要求）的情况下，能够选择一个更有效的调制策略或者选择另外一个可用的频谱孔来提高通信的可靠性，主要包括频谱分析和频谱判决两个方面。首先通过频谱分析，归纳出在CR网络中可用频谱孔在不同时间段内具有的频谱特征，一旦所有的可用频谱特性被分析出来，CR应根据QoS的要求，为当前的传输选择适当的运行频段。

3。3 频谱共享
目前普遍认为适用于CR的调制策略是正交频分复用技术（OFDM）。这是因为OFDM的灵活性和计算上的有效性。很明显，随着时间的变化，可用频谱孔来来去去，OFDM不断调整其载频，如图2所示。

图2 动态频谱共享过程

图2描述了在四载频情形下，频谱共享策略在T1，T2，T3(T1T2T3)时刻根据可用频谱孔的情况分配信道带宽。频谱共享的结果是使CR在特定地域内，在可用频谱孔随时间改变的情况下依然能进行。
从图可看出，频谱共享的过程实际上包含有频谱移动性这一个概念。CR的目的是使终端设备能够动态地使用频谱，才能使“获取最好的可用信道”这个通信概念变得有意义。目前频谱共享技术解决方案可以从结构、频谱分配行为及频谱接入技术3个方面进行归纳，如图3所示。

图3 频谱共享技术的分类

基于结构的频谱共享技术可分为集中式频谱共享和分布式频谱共享。前者解决方案主要是集中单元控制频谱分配和接入过程。网络中的每个分布式节点都把自己探测感知的频谱信息汇集到集中控制单元，由它绘制出频谱分配映射图。后者解决方案主要应用在不能构建集中式结构的场合。相应地，在这种情况下，每个分布式节点都参与频谱分配。基于频谱分配行为的共享技术，可以分为合作式频谱共享和非合作式频谱共享。合作式频谱共享解决方案考虑到节点的行为会影响到其他的节点。也就是说，每个节点的感知所得都会与其他节点分享，而且，频谱分配算法也会考虑到这些信息。集中式解决方案可以看作是合作式的，同时也存在着分布式的合作方案。非合作式频谱共享与合作式方案不同，非合作式方案仅考虑自己节点的行为，因而这种方案也被称作是“自私”的。非合作式方案可能会导致频谱利用率的降低，但在实际应用中，它对其他节点的通信要求最低。基于接入技术的频谱共享分为Overlay频谱共享和Underlay频谱共享。Overlay频谱共享具体来讲就是一个认知节点利用未被使用的一段频谱接入网络，这种情况下对第一用户造成的干扰最小。Underlay频谱共享利用蜂窝网络的频谱扩展技术，一旦获得了频谱分配射影图，认知节点便开始传输。在这段频谱上，第一用户把认知节点的传输当成噪声来处理。因而，这种方案需要复杂的频谱扩展技术。与Overlay频谱共享方案相比，Underlay频谱共享可以利用更宽的宽带。对CR网络中频谱接入的理论研究揭示了在设计频谱接入协议时候要考虑的权衡问题。比如，合作式方案的优势在于它能够提高频谱利用率和公平性，然而，如果考虑到诸如用户之间频繁的信息交换这些成本开销的话，它的优势就不是很明显了；又比如，Overlay技术关注的重点是频谱孔，Underlay技术必须要结合动态扩展技术才能避免对第一用户造成干扰，如果考虑到系统的复杂性和性能之间的均衡，混合技术应当优先考虑。

4 结束语
传统的无线通信系统中，频谱的分配是固定的。由于通信过程的突发性，这些频谱的利用率很低。另一方面，随着无线通信和多媒体的高速发展和广泛应用，无线频谱资源日趋紧张，如何提高频谱利用率成为迫切需要解决的问题[6]。CR技术能在基于通信质量的基础上实现不同频率的自动传输，提高频谱利用率，还可以用它推出低价格的4G服务。