动态频谱接入技术综述

动态频谱接入技术综述

本文概述了动态频谱接入技术的国内外研究现状。根据研究目标的不同将研究方法归纳分类，并分析优缺点。为频谱资源的合理分配、频谱资源的高效利用和动态频谱接入技术研究提供技术参考。

随着无线通信技术的飞速发展，原本有限的无线频谱资源被划分给越来越多的用频用户，致使用户可用的频谱资源日渐紧张。频谱紧缺的局面正是由传统的频谱分配方法所导致的，传统的静态频谱分配模式将频段固定分配给用频用户，只有被授予频谱使用权的用户才可以使用，频谱利用率有待提高。动态频谱接入技术通过灵活利用授权用户空闲的频谱空穴，使认知用户伺机分配到所需的频谱资源，使频谱资源在时域和空域上得到充分利用，提高了频谱利用率。

动态频谱接入研究现状

国外研究现状

现有动态频谱接入技术研究针对不同的研究目标，提出了不同的研究方法。本文将多种技术通过抗干扰、提高频谱利用率、吞吐量最大化、公平性、延时性、能耗最小化、网络连通性这七个方面进行归类，分别介绍新技术的特点，并分析其优缺点。

1）抗干扰

抗干扰指在有干扰的电磁环境中保障通信质量，研究方法有：a）2003年FCC推荐了干扰温度模型，该方法通过制定干扰温度门限，达到复杂电磁环境抗干扰的目的；b）A. Hoang和Y. Liang利用干扰图的方法来捕捉一对通信节点之间的是否存在干扰，当动态干扰图上出现两个节点相连式，可判定存在干扰情况；c）A. Hoang等利用信噪比的大小作为判断依据，当信噪比值大于门限值时，则判定可以正常通信，该方法的缺点是当信噪比大于等于门限值与安全余量之和时才允许传送信息。

2）提高频谱利用率

提高频谱利用率指将频谱最大限度地分配给认知用户，研究方法有：a）X. Li等定义频谱效率为数据速率和信道带宽的比值，通过最大化每个节点的发射功率以达到提高频谱利用率的目的，该方法的缺点是会导致网络中更多的干扰；b）S. Byun等提出尽可能公平分配空闲频谱的方法，但公平的方式并不总是达到最大化频谱利用率；c）L. Yu等提出最大化总的频谱利用率并最大化瓶颈用户的频谱利用率的方法。

3）吞吐量最大化

吞吐量最大化指最大化网络或者单个节点的吞吐量，研究方法有：a）X. Mao等采用节点为不合作方式的分布式频谱分配算法，缺点是会导致在访问信道出现争用或者导致不公平；b）J. Wang等将所有节点总的吞吐量作为目标，并可采用分布式或者集中式频谱分配算法以最大限度提高网络性能，但缺点是会导致不公平，使得一些节点无法传输信息；c）T. Kim等针对OFDMA认知无线网络，通过认知节点从主用户网络借上行链路子载波上数据传输的最大化以实现吞吐量最大化。

4）公平性

提高认知用户之间的公平性，可以避免频谱分配的不公平现象，研究方法有：a）S. Byun等利用集中式方法最大化每个认知用户的最小平均吞吐量，但它没考虑高需求量应用用户的最低吞吐量的要求；b）Y. Ge等提出协同最大比例公平方法，将认知用户根据的服务质量或不同吞吐量需求进行分组，解决最低吞吐量的问题。

5）延时性

延时的研究分为端到端延迟和切换延迟两种，路由结合的频谱分配中通常需要考虑端到端延迟，切换延迟时间是认知用户从一个频谱切换到另一个频谱的时间，另外在切换过程中，认知网络的发送或接收中断，会导致在数据传输的额外延迟，其研究方法有：a）G. Cheng通过合理的给节点分配频谱以使得路由内累积的延迟（节点延迟与路径延迟之和）最低；b）W. Lee提出了一个频谱决策框架，考虑了切换延迟因素，其目标是找到一个频谱分配方法，将认知用户的归一化容量的总和最大化，缺点是它使用固定宽度的频谱带，与实际多数情况不相符；c）J. Wang提出了累积干扰和切换延迟最小化的度量，允许权衡不同的干扰和切换延迟之间的权重，在每一跳上分配信道和路径，存在的问题是该方法只考虑了信道切换次数，而不是在该路径上数据流的切换时延。

6）能耗最小化

最小化认知用户能量消耗可以最大限度地提高总容量和最小化系统的总功耗，研究方法有：a）S. Gao等，提出了一个分布式频谱选择和功率分配算法，并提出了一种分布式能量有效性频谱接入方案，目的是最小化在所有子载波上每个比特的能量消耗，因此目标就转换为找到次用户可选择的最佳信道数，在保证其数据速率的要求时采用发送最小功率；b）L. Yu等提出了一种认知无线电Ad Hoc网络能量有效性频谱分配的方法，利用信道最小化发射功率的思想，将能量有效性问题转化为一个功率控制和信道优化相联合的问题；c）X. Li从能量有效性的角度研究了认知无线传感器网络中的信道分配问题，提出了一种预测剩余能量的系数的方法，但该算法并未考虑优于节点感知频谱所消耗的能量。

7）网络连通性

为了保证用户服务质量（QoS），保持网络连通性至关重要。影响网络连通性的要素主要有通信链路使用频率、发射功率、节点距离和认知用户间干扰。针对网络连通性的研究方法有：a）A. Abbagnale等针对认知无线电Ad Hoc网络连通性的研究，提出节点的距离、发射功率和频率选择会对网络连通性产生影响；2）Y. Li等利用图形着色规则，提出认知用户之间的干扰对CRAHNs连通性有很大影响；b）M. Ahmadi和J. Pan建立了一个网络图，以显示网络流量和认知用户之间的连接，将信道分配给认知用户，并最大限度地降低网络内的干扰。

国内研究现状

近年来国内也不断深入在动态频谱接入方面的研究，针对不同的动态频谱接入研究目标，提出了不同的研究策略。

以减小认知用户之间频谱共享时的干扰为目的，贾蕴提出了认知无线电动态频谱接入的竞争与干扰规避策略，减少认知用户的信道切换次数，提高网络的稳定性。以能耗最小化为目的，张旭等人提出了基于排队论的集中式频谱分配策略，以授权和认知用户共存的复杂网络环境为背景，基于排队论模型，提出了一种效率高、能耗低的集中式频谱分配方案。以实现对认知网络的功率控制为目的，张龙等人提出基于微分博弈的分布式非合作功率控制算法，提出了一种认知网络的分布式动态功率控制方案，控制平均功率门限，提高认知用户通信质量。以提高认知用户吞吐率为目的，彭晓东等人提出了一种鲁棒机会频谱接入策略，较好的利用优质信道机会，提高认知用户的吞吐率。

总结

本文简要介绍了国内外动态频谱接入技术的研究情况，根据研究目标的不同将研究方法归纳分类，并分析了各种研究方法的优缺点。可以看出，动态频谱接入技术可以采用接近实时的频谱管理方式，灵活分配频谱资源，以适应不断改变的电磁频谱环境。但是现有研究方法仍存在不同程度的局限性，因此进一步开展动态频谱接入技术研究具有较强的现实意义和应用价值。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.009