认知无线通信系统的频谱资源管理

征的干扰温度与原始干扰温度相比，丰富了资源的描述特征，在原有基础上引入了空间坐标特征，也使得判决可用资源的空间区域更加精确，对资源的再次利用更加高效。基于这种思想，如果能够引入更多的特征因素，让它们共同描述无线频谱资源，那么对于资源管理层面而言，对环境和资源的认识更加客观和完整，就能够更确切地把握无线频谱资源的本质特征，也能够更优化地对其进行恰当的管理和利用。

2 频谱资源空间及其概念体系

获取频谱资源特征之后，认知无线电应该根据用户要求，为其通信传输选择合适的运行频段资源。文献[4]在假设所有信道具有相似信道容量前提下，基于公平性和通信成本提出5种频谱选择规则。文献[5]提出了一种基于SNR的信道跳跃协议用于选择质量最好的信道。文献[6]提出在某一特定频段上的频谱切换数量可以用来辅助频谱分配的决策。这些研究是基于对用户某个或者几个性能需求进行选择资源的。

针对上述的比较完整的包含多种特征参数的无线频谱资源描述，在进行具体衡量时，需要设计和构建一种更加完备的结构和方法来决定资源的可利用程度。

为了将上述对无线资源不同角度的多种特征描述进行有机的统一和组合，可以利用数学上的空间概念来进行表述，利用多维坐标系来构建无线频谱资源空间的数学模型并加以研究。

从不同角度和不同层面考察无线频谱资源可以获得多种描述资源特征参数，将这些特征参数作为元素个体，并对各个元素进行严格的数学定义和明确表征。然后以这些数学表示的特征参数元素为考察量，并赋予坐标维度的概念，那么就构成了多维表示的频谱空间。

资源空间是用数学语言描述的包含众多特征参数元素的科学概念。譬如如果仅考察频谱资源在时间、频率、干扰温度3个特征参数之间的关系，并分别以它们为参考坐标，可以形成一个简单的仅具有3个维度的空间模型，如图3所示。当考察的特征参数有n 种时，即可形成n 维的资源空间表示。

在分析各个特征参数之间的内在关系，并将它们数学的表示成函数关系时，频谱资源空间也可以被看作是n 维函数或函数组。这样设定的函数关系在多个维度上是连续的，但是在无线资源的管理中，为了便于记录和衡量，需要将它们进行离散分割，例如时间变化将根据采样间隔或者时间分辨率进行离散。那么上述的空间从各个维度都经过离散之后，就会形成一种网格状结构，这就可以称为频谱网格。频谱网格是为了构建可管理的基本资源单元，在空域、时域、频域等多个维度上都对频谱资源空间进行离散化后的结构和表征方法的描述。

在认知无线电系统对无线频谱资源进行管理，并对具体的认知系统用户分配资源时，针对用户的不同需求，资源空间中适合用户的资源也不尽相同，因此就需要针对不同的用户需求构建特定的可用资源集合。面对使用空间体系描述的无线频谱资源，用户的实际需求需要具备和资源空间的映射关系，才能成为在资源空间中的具体衡量指标。在衡量资源的可用性时，根据用户需求映射的衡量标准来判断资源网格中各个离散化的资源个体，从而决定这个频谱资源单元是否可用。那么这些根据用户需求映射标准形成的资源网格中的可用资源集合，即可被称为资源图谱。

这样，从频谱资源元素到频谱资源空间，到频谱资源网格，到频谱资源图谱，就能够形成了面向无线资源管理的数据体系结构和理论概念基础，如图4所示。

3 无线频谱资源管理结构

无线资源管理体系包括两个方面，一是对无线资源的表示，二是实现资源管理的结构。前者在上述的资源空间中已经说明，在此将分析管理层面的结构问题。

针对资源管理解决方案的研究也是热点之一。文献[7]提出了一种利用集中单元控制频谱分配和接入过程的方法，网络中的每个分布式节点都把自己感知的信息汇集到集中控制单元，并由它进行频谱分配。文献[8]给出了不能构建集中结构时的分布解决方案，每个分布式节点都参加频谱分配并由节点自己决定频谱接入。合作式频谱共享策略考虑节点的行为对其他节点的影响，而非合作式的策略[9]仅仅考虑自己节点的行为。Menon讨论了在合作式的环境下，Overlay频谱共享和Underlay频谱共享方案的效果[10]。从实用性和整体的角度上而言，分布式管理方式具有较多的优势，将它与前述的资源空间体系结合，即形成如下的管理结构。

在认知无线电通信系统中，使用无线频谱资源的设备可以分布在地面上，也可以在空中，也可以在地下。当任一用户处于任一空间位置时，它认知到的频谱资源的使用情况是不一样的。它可能感知到地面设备发射的信号，也可以感知到空中飞行器发射