动态频谱接入综述

徐 迪

(西安电子科技大学数学与统计学院，陕西西安 710071)

传统上，频谱分配政策是为已经授权的用户提供一个固定的频谱，且这个频谱是独家享用的。虽然这项政策在过去的几十年里一直运作良好，近年来无线服务的激增暴露了这个政策的缺点:一方面导致频谱匮乏;另一方面，大量的授权频谱在时间和空间上均未得到充分利用。这些在时间和空间领域未使用的频谱波段，也称为频谱空洞或频谱空白，为无线通信提供了一个很好的机会。DSA是一种新的利用频谱空洞来实现频谱共享范例。它利用频谱空洞，从而缓解频谱短缺的问题，并且提高了频谱利用率。通过DSA，SUs(次级用户)能够动态地搜索空闲频谱波段，暂时使用他们来进行无线通信。为了避免和PUs(主用户)发生冲突，SUs都持续地监控频段，当PUs开始利用一个波段时，SUs得避让PUs。

在认知无线电技术的最新进展下DSA认知无线电技术成为可能。认知无线电典型地包含一个模拟射频前端，一个数字处理引擎。大多数无线电功能，如信号处理功能通过运行在数字处理引擎上的软件成为可用的。通过编程的数字处理引擎，认知无线电可以感知周围频谱环境并相应地适应无线参数，例如:中心频率，带宽，传送功率。

由于提高频谱利用效率具有很大希望，所以在过去的十年已有大量的DSA和认知无线电的研究工作。也有相当多的关于无线电或DSA网络方面的调查研究［1］。虽然这些调查研究主要集中在认知无线电网络的网络设计问题，文中讨论了DSA的挑战，旨在揭示其未来。首先介绍了最先进的频谱检测和频谱共享。然后，着重讨论了能够防止DSA成为主要商业部署的挑战。要应对这些挑战，一个新的DSA模型至关重要，在这个新的DSA模型中PUs被激励而一起合作，因此，灵活的频谱共享是可能的，例如频谱检测可以大幅简化，而且SUs被允许可以和PUs在一个频段传送数据。此外，未来的DSA模型应考虑政治，社会，经济和技术等因素。为支持未来的DSA模型，需要额外的组件和功能，以提高认知无线电性能。把未来有更广应用能力的认知无线电称为网络无线电。

1 DSA模型

目前总共有3种DSA模型Interweave，Underlay和Overlay［2］。Interweave DSA模型是本文主要学习研究的DSA模型之一，也是DSA业界约定俗成的标准。它与Underlay和Overlay模型的区别在于:只要PU还在这个被授权的频谱带中活动，SU就不能接入该频段。此外，PU有绝对优先使用频段的权利，只要PU访问频段时，访问该频段的SU就得避让PU。因此，交织DSA模型也被称为机会频谱接入，此情况下SU受限制地投机利用这些时空上或频域上的频谱空白，在交织DSA模型下，SU利用认知无线电感知周围频谱环境，然后选择一个或多个闲置的频段，把认知无线电转换成选定的频段来传送。图1说明了频谱的动态性和SU怎样利用交织DSA模型搜索和访问空闲的频谱带。

图1 Interweave DSA模型

Underlay DSA模型允许SU访问许可的频段，无论PU是否访问，遭受来自所有次级用户累计的干预的约束对主用户来说是可容忍的，即下面一些阈值的约束。有两种方法可以满足该约束。在第一种方法中，次级用户发射功率在很宽的频谱范围内传播，以至于对在每一个授权频段上的次级用户的干扰远低于阈值。这是采取的超宽带(UWB)技术的方法。这种方法主要用于短距离通信。第二种方法被称为干扰温度。通过这种方法，次级用户可以在授权频谱上以更高的功率传输数据，只要来自所有的SU上的总干扰低于某个阈值。面临的挑战就是如何测量对PU的总干扰的和如何实施对次级用户的限制。对于这一挑战，美国联邦通信委员会(FCC)提交的干扰温度方法。图2说明了在Underlay DSA模型中一个SU如何在一个频段上和PU共享一个范围广泛的频谱。

图2 Underlay DSA模型

Overlay DSA模型是DSA的一个较新发展模型。类似于底层DSA模型，即使当PU访问一个波段时，上层DSA模型也允许PUs传送。然而，约束条件是不同的，不是约束SU对PU的干扰，而是通过限制SU的传送功率，上层DSA模型目标保持的PU执行。只要对PU的性能不引起退化，SU被允许和PU同时发送。上层DSA模型的第一种方法是使用信道编码(Channel Coding［2］)。具体而言，当一个PU发射器发送一个PU数据包时，SU发射器可以将它的发射功率分成两部分，一部分是发送给自己的(SU)的数据包，另一部分是用来传送PU的数据包以提高在PU接收机接收的总功率，使得冲突信号和噪声比(SINR)在PU接收机上不会降低。此外，SU发射机可以使用脏纸编码来对SU的数据包进行预编码，这样由PS数据包传送引起的对SU接收机干扰就不存在了。Overlay DSA模型的另一种方法是使用网络编码［3］。采用这种方法，SU作为不连通和弱连通节点之间的中继节点来服务。当转播PU数据包时，SU可以通过网络编码把SU的数据包编码传到PU的数据包上。因此SU数据包的传输不会引起独立的频谱接入，也不会降低该PU的性能。

Overlay DSA模型的一个显著性能就是它能够给PU提供激励以鼓励其来进行合作。通过信道编码方法，SU传送机可以分出足够的功率来发送PS数据包，使得PU的接收机所在的信号干扰噪声比增加，这样PU执行效果就得到很大的提高。通过网络编码方法，可以提高传输的数据频率，并且获得一个较高的PU数据吞吐量也是可能的［3］。总之，对于PU和SU，上层DSA模式创造了一个“双赢”的模式。图3说明了SUs和PU在上层DSA模型上如何共享频谱的。

图3 Overlay DSA模型

2 频谱感知

在DSA中频谱感知起着至关重要的作用。在SU发送一个数据包之前，它需要感知频谱的环境，以确定可用的频谱频带。在数据包传输中，一个SU需要持续感知波段以检测是否有PU访问接入频段。频谱感知技术一般地可以分为本地感知和协作感知。本地感知就是指每个SU能独立地检测周围的频谱环境，然后选择一个闲置的频谱进行通信。本地感知有3个主要的技术:能量检测，匹配滤波器检测，周期平稳特征检测［4］。在能量检测，被接收的信号的能量是可测的，并与一个预定义的阈值作比较。如果接收到信号的能量超过阈值，谱频带将被PU所占用，否则频谱频带被确定为闲置的。能量检测技术降低了计算复杂度，并且很容易实现。然而，它易受噪声功率不确定性的影响，并且不能区分噪声和信号。匹配滤波器检测技术假定PU信号的相关属性是已知的，它将接收到的信号与已知PU信号相结合，以比特率来对输出结果采样以检测PU的存在。为了区分噪声和信号，提出了周期平稳特征检测［4］。这种技术来自一个事实，因为它们的方法和自相关性表现出周期性。除了3个主要的技术，最近其他几个技术已被开发。

3 频谱共享和访问

高效的频谱共享和访问，对DSA必不可少。频谱共享在underlay DSA模型提供最灵活的满足干扰约束。在Overlay DSA模型中，频谱共享也很灵活，但有一些限制。具体而言，当一个SU尝试发送一个SU的数据包，如果该PU的性能确保不会降低，然后SU就可以访问许可的频谱。否则，SU必须把频谱接入让给PU。在交织DSA模型中的频谱共享更具挑战性，因为当PU访问的频谱时这种模式禁止SU频谱接入。交织DSA模型中的频谱共享是主要研究对象［7－8］。在DSA中，通信信道是动态可用的，这对交织DSA模型下的频谱共享和访问提出了巨大的挑战。

根据控制通道是否可用主要分为两种方法，在第一种方法［8］，公共控制信道用于交换频谱的检测结果和转让数据通道。SU的频谱接入在传感传送周期上工作。在传感期间，每个SU感官周围的频谱环境，以确定可用于SU通信的频段，然后把无线电切换到控制信道上与其他的SU交换检测结果。然后每个通信节点对从检测到的可用信道中的一个数据通道用于数据通信，最终将无线电切换到选定的数据信道来传输数据包。SU持续监测的数据通道，当在一个数据通道检测到一个PU信号，此通道上的SUS必须避让PU。虽然公共控制信道能简化在频谱接入发射器和接收器之间的交会，但很容易拥塞。ETCH文献［9］中提出算法使用多个控制信道，以避免拥塞，同时保证一个SU在最佳长度的帧的范围内能遇到任何其他SU。另一种方法根本不使用的控制通道，从而消除了在控制通道［10］拥塞和干扰的。通过这种方法，每个SU从动态检测到的信道独立选择业务信道。每个通信没有必要交换控制信息，即不用协商用于数据通信的渠道。取而代之的是，发送器估计接受机经营的信道，并简单地将无线电切换到接收器信道。它表明了对每个信道估计的成功率是很高的，因此，发射器可以以较高的概率满足接收机。

虽然在交织DSA模型中大多数的频谱共享的研究是在MAC层，也就是，假设不仅单跳网络，多跳DSA网络中也有相当多的频谱共享研究［11－12］。通过多跳DSA网络，用户的需求是终端到终端的通信情形。加上其他问题，目的是优化一些实用程序，频谱共享变得更具挑战性，如全网无线电频谱使用［11］或功率消耗［12］，虽然满足所有用户的需求，但通常这样的问题是NP困难问题，因此需要有效的启发式算法。

4 当前DSA挑战和突破

利用今天的技术，在主要交织DSA模型中频谱感知的共享是非常具有挑战性。由于在此DSA模型中，如果在信道上有一个PU上的频带的信号。一个SU不能访问的频谱频带，一个SU必须精确地检测PU信号的存在，然而，由于多路径、信号衰减、阴影效应和无线电干扰污染水平日益严重的影响，准确的频谱感知是非常具有挑战性的。合作频谱感知可以帮助减轻其中的一些问题，但不能完全消除它们。此外，新的问题出现，包括复杂的控制和协调，由于交换延迟关注新的检测数据，提高了决策的时间和安全问题，因为恶意的SU可以故意地通过报告假的遥感数据误导最终的决定。

还有其他的频谱感知问题，噪声固有的不确定性，使得区分信号和噪声具有挑战性的，文献［13］指出，存在“SINR墙”，低于一定的SINR墙，匹配滤波器，能源，特征检测都无法区分的噪音信号。许多频谱感知技术，如匹配滤波器检测，特征检测等，靠的主要使用者波形或特殊功能，如导频信号的先验知识。但是，主要的用户波形的频谱频带的特殊功能可能会改变，可能会消失，由于频谱的再利用，频谱交易，或升级到新的技术。此外，由于一个次级用户的要求时，必须让位给一个主要用户开始访问频段，辅助用户的模仿主用户(PUE)攻击是脆弱的。主要用户模拟攻击发生时，恶意的次级用户发送的主要用户通过认知无线电，模拟的主要用户信号波形上的频段，从而防止其他次级用户访问频段。PUE仿真攻击是独特的动态频谱接入网络，并很难被检测到和计数器测量。所有这些问题，导致行业投资动态频谱接入的经济回报是不确定的。总之，技术进步和经济回报的不确定性，防止潜在的服务提供商和供应商考虑动态频谱接入技术，设备和基础设施的大规模投资。

除了这些挑战，从技术的角度来看，或许来自不同的成员之间的动态频谱接入:决策者，学术界，行业和最终用户间是一个更大的挑战。所有4名成员互相影响，将它们连接在一起的重要组成部分，是经济。

如何在动态频谱接入上有所突破，需要重新审视Interweave DSA。交织的动态频谱接入模型的一个主要问题是缺乏激励机制为主要用户合作。事实上，PU对有DSA一种内在的敌视，为了消除敌意，关键设计的鼓励机制，以弥补PU参加DSA的合作中损失。有了补偿，主要用户可以在DSA中合作，因此它可以显着降低技术的挑战和促进的动态频谱接入网络的部署。从技术和政策两方面，可以相信这是可能的突破保守的交织DSA模型。

从技术方面，Overlay DSA是一个能替代Interweave DSA的模型。它对PUs和SUs提供奖励，PUs有了SUs的帮助，其性能可以提高，而且SUs与Pus可以同时访问的频谱。因此，Overlay DSA模式对消除Interweave DSA模式引起的挑战是有前途的。但在Overlay DSA模式中现有方法还有很多的限制。此外，网络编码并不总是有显着的增益，并且它也招致额外开销和复杂性的。最后，对于信道编码的方法，可能需要增加能量消耗。因此，Overlay DSA模型的进一步研究需要提出更加实用和有效的方法。从政策面中，FCC和NTIA也考虑利用激励机制来提高频谱效率和扩大对授权频段的接入。另一方面，激励小组委员会还考虑依靠频谱拍卖的收入以及收集的频谱费用建立一个频谱创新基金，这种基金可以用于补偿频谱持有人，使他们更加合作的动态频谱接入。允许SUs和PUs同时访问的频谱也将减轻PUE攻击所造成的影响，这对Interweave DSA模型来说是一个严重的安全问题。由于SU被允许可以和PU在同一时间传输数据，即使频带中有一个PU，SU也不需要从频带中迁出，这有效地消除了PUE的攻击。

5 未来的DSA

预计未来的动态频谱接入模型，以满足不同的利益。因此，认知无线电，动态频谱接入技术是有利的，预计将在未来更强大。设想未来的认知无线电将由4个部分组成:策略执行实体、激励实体、安全模块，共存模块以及更多的功能:网络拓扑结构的认识、网络编码、跨层优化、多输入多输出(MIMO)。确保政策执行实体的动态频谱的访问策略，与激励实体，主要用户动力显式或隐式的频谱感知上提供的信道活动的信息，以减少的开销。此外，次级用户可能被允许同时传送与主要用户，只要可以保护主要用户性能提升到理想程度。安全的无线电模块，可以有效地缓解攻击，如初级用户仿真。随着共存的模块，主要用户和次级用户，次级用户从不同的领域和技术，友好地共存于一个频段。此外，由于动态频谱可用性，认知无线电的动态频谱接入网络的拓扑结构需要注意，以确保高的性能和质量的服务。网络编码将添加额外的功能，以充分利用认知无线电的干扰，并提供奖励机制对PU和SUS。认知无线电也将能够进行跨层优化，使得频谱感知和信道切换的网络拓扑结构的形成和适应配合，以优化的网络范围内的或端到端的服务的性能和质量。

对未来的DSA，还存在许多设计问题。例如:主要用户设计的合作机制和权衡分析。什么是最有用和最实用的，例如，显式或隐式类型的主要用户合作。这种合作应如何经常提供?应考虑哪些指标?考虑的性能指标的激励机制，其他指标也应考虑，如主要用户网络的稳定性，延迟，用户体验等。

6 结束语

回顾了动态频谱接入(DSA)，并讨论了当前的动态频谱接入所面临的挑战和突破。认为应对这些挑战重要的是，未来的动态频谱接入模式提供了激励机制，使主要用户和次级用户合作，动态频谱接入，从而可以更灵活的频谱共享。为支持未来的DSA模型，认知无线电，预计将有一些额外的实体和能力，从根本上扩大认知无线电物理层技术。讨论了相关的设计问题和未来的网络电台，新的动态频谱接入模式有很多的挑战，也拥有较大的发展潜力。

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