认知无线网络中的频谱切换技术

张忠起　许晓东

【摘要】针对频谱切换的研究现状,文章介绍了频谱切换的场景、分类以及对认知无线网络物理层、媒体接入控制层(MAC)的需求,总结了频谱切换技术的最新研究进展,对目前的各种方案进行了比较分析,并提出了未来面临的挑战及研究方向。

【关键词】频谱切换 动态频谱管理 认知无线电 认知无线网络 QoS

1 引言

面对频谱资源高度紧缺这一严峻现状,认知无线电技术(CR,Cognitive Radio)能够跟踪频谱变化,并根据无线环境自适应调整其工作参数,有效地提高频谱利用率。而基于CR构建认知无线网络(CRN,CR Network)是CR迈向实际应用的重要一步[1]。

空闲频谱的空时变化特性以及各种业务的不同QoS要求是CRN目前面临的两个主要问题,而动态频谱管理[2]是解决这些问题最核心的技术。目前关于动态频谱管理的研究主要分为频谱检测、频谱判决、频谱共享和频谱移动性四个方面[1]。

频谱检测进行空闲频谱的实时发掘,频谱判决为认知用户选择合适的空闲频谱提供依据,频谱共享解决多个用户同时接入空闲频谱的问题,而频谱移动性即频谱切换则可使用户通过更新工作频谱保持与CRN的持续良好连接。频谱检测、判决和共享为认知用户高效使用空闲频谱提供了必要的基础,这三方面的研究工作开展较早。而为了满足用户无缝、泛在通信的需求并保障各种业务的QoS要求,从本质上实现对频谱的动态管理与使用,频谱切换是尤为重要的一环。目前关于这方面的研究刚刚展开,有许多工作亟待完成。

本文针对频谱切换技术目前的研究现状及重要进展进行了分析和讨论,并对其下一步的研究提出了建议。

2 频谱切换的概念

在CRN中,用户包括授权用户与认知用户:前者享有频谱的优先使用权,后者则动态跟踪前者的频谱占用情况,在其未使用的空闲频谱上通信。当授权用户重新使用频谱时,认知用户需将频谱归还给其使用。为了保证认知用户通信的持续性和业务QoS,它可以在让出频谱的同时平滑转移到其他空闲频段继续通信;另外,当认知用户所占用频谱不能满足其业务需求时,也可以转移到其他更合适的空闲频谱,即为频谱切换。

认知用户的链路保持概率以及切换时延是关系频谱切换的两个最重要的参数。目前关于频谱切换的研究主要考虑以下三种方案[3,4]:

(1)暂停数据传输并驻留在原有频谱上,待授权用户通信完毕后继续使用该频谱;

(2)建立一个频谱切换候选集列表,当需要进行切换时从列表中选择最合适的频谱;

(3)当需要进行切换时,立即进行频谱检测,选择当前最合适的频谱进行切换。

方案(1)操作简单,但浪费了认知用户的传输时间,带来吞吐量的损失;方案(2)可以有效保持通信的连续性,但创建精确的列表需要知晓授权用户的业务模型,实现较复杂;方案(3)中认知用户切换时需要暂停业务发送以进行频谱检测,引起业务中断。对于这三种方案的选择,需要考虑实际需求以及网络负载等因素。

图1 频谱切换示意图

3 频谱切换对CRN的需求

3.1 对物理层的需求

认知用户需要对宽带频谱进行检测,良好的频谱检测算法可以有效提高频谱切换的准确性并降低切换时延。频谱切换要求检测算法运行时间要尽量短,检测精度要尽可能高。这两个要求一般很难同时满足,在设计算法时需要折中考虑。同时,协作的频谱检测算法需要协作的物理层传输支持。

频谱划分粒度是另一个需要考虑的因素。频谱切换需要考虑不同系统带宽,以实现频谱的充分灵活使用。OFDM是一种实现频谱共享的支撑技术,它可以通过调整子载波数目和间隔灵活调整频谱粒度。同时,子载波带宽和符号间隔需要同共享频谱带宽和共享时间相匹配。

此外,应采用先进的功率控制和链路自适应技术。良好的链路控制技术可以有效减少由于信道质量变差而引起的频谱切换,调整并有效保证频谱切换前后业务的QoS。

3.2 对MAC层的需求

良好的MAC层设计是有效进行频谱切换的基础,为各认知用户分配调度合适的无线频谱,是保证切换成功率、切换前后业务QoS的重要因素。

集中式MAC由一个中心实体去控制频谱的分配和接入过程,分布式MAC中频谱的分配和接入是由分布式的节点基于局部(或全局)的分配策略来完成的。分布式方案虽然增加了节点间交换信息的开销,但是降低了实施复杂度,而性能与集中式方案相近。因此目前研究重点是分布式MAC协议设计。

频谱切换需要MAC层对频谱切换前后的无线资源进行调度分配,要求MAC层协议具有重配置功能,能够根据切换后工作频率、带宽、信道质量、业务QoS要求等因素进行协议参数调整。

4 频谱切换的研究现状及建议

4.1 频谱切换研究场景

(1)相邻频段切换

相邻频段频谱切换是指认知用户切换前后的工作频率变化不大(几兆赫兹至几十兆赫兹),切换前后信号的空间传播特性没有明显变化。目前大部分的频谱切换方案没有考虑切换前后信号传播特性的变化对切换的影响,可以认为是相邻频段频谱切换解决方案。

(2)高低频段切换

高低频段切换是指切换前后认知用户的工作频率变化较大(几百兆赫兹)。由于高低频传播特性的差异,可能会导致切换后的QoS难以保障。为了避免可能带来的性能损失,文献[5]提出通过计算不同频率的覆盖半径,在小区边缘同时考虑频谱切换与小区间切换,在实现无缝覆盖的同时减少用户溢出和切换次数。

涉及到高低频切换时,需要考虑的因素应当不仅仅限于路径损耗,还应综合考虑处于移动性环境时高低频不同多普勒频移的影响,进一步研究高低频的不同传播特性,充分利用频谱资源。

图2 高低频段覆盖情况

4.2 频谱切换相关参数

研究频谱切换时,需要综合考虑切换用户中断概率、吞吐量、切换时延、切换频率和阻塞概率等参数。这些参数的获得,通常是先假定用户到达率、业务持续时间的概率分布,然后进行理论分析。所采用的概率随机分布模型往往是经典的泊松分布、指数分布、对数正态分布等。

文献[6]通过对以上随机分布模型进行分析,比较是否进行频谱切换时的各项参数,结果表明频谱切换虽然在一定程度上提高了其他用户的阻塞概率,但是可以有效降低业务中断概率。一般而言,业务的中断比阻塞更难以让用户接受,所以频谱切换通常是较优的选择。

4.3 频谱切换频率

频谱切换频率是指业务持续时间内频谱切换的次数,它关系到认知用户的业务吞吐量、服务质量、中断概率等。频谱切换频率越高,用户获得良好频谱的可能性就越大,同时其信令开销也就越大,反之亦然。

目前研究者对频谱切换频率的讨论中[7],先假定用户到达、业务持续时间以及各空闲频段持续时间的概率分布模型,然后计算某一定持续时间业务进行过程中频谱切换次数。但是,各空闲频段持续时间概率分布目前尚没有取得比较广泛认同的统计模型,也未针对不同业务特征、QoS要求等,需要进一步讨论研究。

4.4 频谱预留对链路保持概率的影响

频谱切换应尽量降低认知用户对其他用户可能产生的影响,频谱预留机制通过采用侵略或者保守的频谱预留,对认知用户的中断概率和授权用户的阻塞概率进行平衡。

文献[6]提出了一种频谱预留机制,定义了授权用户和认知用户的频谱占有需求以及用户到达和业务的分布模型,分析了频谱预留对中断概率和阻塞概率的影响,并得出最优的频谱预留情况。然而其所做的假设比较理想,应更进一步考虑频谱切换实际场景,并且可以研究多用户条件下的频谱预留机制。

4.5 理论分析模型

目前频谱切换的理论分析多采用假设认知用户的随机分布模型[3,7],或者通过马尔可夫链计算状态转移概率[6],抑或采用排队理论[4],获取频谱切换各相关参数。有人提出了利用部分检测信息进行马尔克夫判决以获取合适频谱的方法[8],也有人提出采用模糊理论来判决是否进行频谱切换[9]。这些方法复杂度较低且具有很好的实时性,但是对输入变量的假设相对简单,并不能精确地反映实际情况,需要进一步研究。另外,研究更加科学的的数学模型是对频谱切换进行理论分析和仿真验证的基础难题和当务之急。

5 总结

本文详细分析了频谱切换的概念、需求以及研究现状等,关于未来研究工作,有以下建议:

(1)针对高低频切换,进一步考虑多普勒频移、多径等传播特性的区别,研究多频段之间的协作;

(2)研究各种QoS要求的业务对频谱切换的影响;

(3)对多用户情况下的频谱切换、频谱预留机制进行研究;

(4)分析研究符合实际需求的频谱切换概率分布模型,为理论分析提供可靠依据。

认知无线网络是未来的发展方向,频谱切换技术是实现认知无线网络实际组网与业务应用的重要一环,目前频谱切换技术尚有许多工作需要继续做更深入的分析和研究。

参考文献

[1]Akyildiz I F,Won-Yeol Lee, Vuran M C,et al. A survey on spectrum management in cognitive radio networks[J]. IEEE Commun. Magazine, 2008,46(4): 40-48.

[2]Qing Zhao,Sadler B M. A Survey of Dynamic Spectrum Access[J]. IEEE Signal Processing Magazine,2007,24(3): 79-89.

[3]Li-Chun Wang,Anderson C. On the performance of spectrum handoff for link maintenance in cognitive radio[C]. ISWPC 2008,7-9 May 2008: 670-674.

[4]Li-Chun Wang,Chung-Wei Wang. Spectrum Handoff for Cognitive Radio Networks: Reactive-Sensing or Proactive-Sensing?[C]. IEEE IPCCC 2008,7-9 Dec. 2008: 343-348.

[5]Ohyun Jo,Dong-ho Cho. Seamless spectrum handover considering differential path-loss in cognitive radio systems[J]. IEEE Communications Letters, 2009,13(3): 190-192.

[6]Xiaorong Zhu, Lianfeng Shen,Yum,T-S P. Analysis of Cognitive Radio Spectrum Access with Optimal Channel Reservation[J]. IEEE Communications Letters,2007,11(4): 304-306.

[7]Hong-jie Liu,Zhong-xu Wang, Shu-fang Li,et al. Study on the performance of spectrum mobility in cognitive wireless network[C]. IEEE ICCS 2008, 19-21 Nov. 2008: 1010-1014.

[8]Ma Rui-Ting,Hsu Yu-Pin,Feng Kai-Ten. A POMDP-Based Spectrum Handoff Protocol for Partially Observable Cognitive Radio Networks[C]. IEEE WCNC 2009,5-8 April 2009: 1-6.

[9]Giupponi L,Perez-Neira A I. Fuzzy-based Spectrum Handoff in Cognitive Radio Networks[C]. CrownCom 2008,15-17 May 2008: 1-6.★

【作者简介】

张忠起:北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室、无线新技术研究所在读硕士研究生,研究方向为:宽带移动通信系统及关键技术,包括广义分布式网络结构、无线资源管理策略、动态频谱管理策略等。

许晓东:北京邮电大学副教授,博士,研究方向为广义分布式网络架构、无线资源管理策略、小区间干扰抑制策略。已发表论文25篇,申请专利9项,出版专著1部。目前为《电子学报》审稿人、IEEE ICONS会议程序委员会委员。