认知无线电资源分配技术综述

王灿 李伟

摘 要：有限的频谱资源与人们日益增长的无线频谱需求之间的矛盾日渐突出和加剧，如何高效地提高频谱利用率成为了无线通信领域的重点研究方向。为有效提高频谱利用率，认知无线电技术应运而生。认知无线电资源分配是认知无线电的关键技术之一，高效的资源分配方法能够有效利用频谱资源，缓解频谱资源的匮乏，提高通信系统的效用，对优化认知无线电系统的性能起到关键的作用。文章基于认知无线电资源分配领域的专利文献，对认知无线电资源分配领域进行了专利技术分析，对认知无线电资源分配技术分支、全球申请量、国内主要申请人、国外主要申请人进行重点分析。

关键词：认知无线电；资源分配；频谱；功率

中图分类号：N18 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0011-03

Abstract： The contradiction between the limited spectrum resources and the increasing demand of wireless spectrum is becoming more and more serious. How to improve the spectrum efficiency has become the key research direction in the field of wireless communication. In order to effectively improve the spectrum efficiency， cognitive radio technology emerged as the times require. Cognitive radio resource allocation is one of the key technologies of cognitive radio. Efficient resource allocation method can effectively utilize spectrum resources， alleviate the scarcity of spectrum resources， and improve the effectiveness of communication system， playing a key role in optimizing the performance of cognitive radio system. Based on the patent literature in the field of cognitive radio resource allocation， this paper analyzes the patent technology in the field of cognitive radio resource allocation. The technical branch of cognitive radio resource allocation， the number of applications in the world， the main applicants in China and the major applicants abroad are analyzed.

Keywords： cognitive radio； resource allocation； spectrum； power

引言

近幾年，随着不断出现的无线通信设备和无线通信应用，无线用户对频谱无线接入的渴求日益加剧。迫于人们对于无线资源的强烈渴求，且由于绝大多数适合通信的频段已经通过静态分配方式被分配殆尽，想要通过寻找新的频谱资源来满足用户需求因而成为一项极其艰巨的任务。传统的无线频谱资源分配采用静态分配的方式对频谱资源进行分配，也就是由频谱分配机构将特定频段长期地分配给特定的授权用户使用。通过调查研究发现，有些被授权的频段在大多数的时间段都未被占用，而其他有需求的用户因未授权而无法使用该频段，因此静态分配这种不灵活的频谱分配方式造成了频谱资源利用率低下。1999 年，Mitola首次提出了认知无线电（Cognitive Radio，CR）的概念[1]。认知无线电是一种智能的无线通信技术，通过频谱感知技术，在已被授权的频谱资源未被使用或只存在少量通信活动情况下，具备认知功能的设备可以在此时接入频谱空洞或者与授权用户共同使用频谱，缓解了频谱资源匮乏和不断增长的无线接入需求之间的矛盾。授权用户即主用户（Primary User，PU），其具有优先接入授权频谱的权利，频谱空洞是指在特定的时间、地理位置，已被分配给主用户且没有被授权用户使用的频段，认知用户可以伺机地接入频谱空洞。频谱资源分配作为认知无线电关键技术之一，合理高效的分配方法能够有效地提高频谱资源利用率，优化认知无线电系统性能[2-6]。

1 国内外认知无线电资源分配技术的专利现状分析

通过对国内外涉及认知无线电资源分配技术的专利文献搜集、标引以及梳理，将涉及认知无线电资源分配技术的专利文献作为样本进行分析，本文基于认知无线电资源分配的专利申请，将其作为分析对象，对认知无线电资源分配技术分支、全球申请量、国内主要申请人、国外主要申请人进行重点分析。

1.1 认知无线电资源分配技术分支

如表1所示，资源分配的技术分支按照频谱分配原则进行划分，其主要包括基于效用最大化原则，基于优先级分配原则，基于资源可用性原则，基于干扰避免原则，基于公平性则，基于代价最小化原则，基于差异性分配原则以及其他分配原则。

图1为各个分支在认知无线电资源分配技术专利申请中的占比图，其中基于效用最大化原则和基于资源可用性原则的资源分配技术占据份额较重，分是28%和26%，其次是基于差异性分配原则、基于干扰避免分配原则以及其他分配原则。资源分配目的是尽可能的优化资源配置提高系统性能，以优化效用为分配目标是绝大多数资源分配的根本目的，因此基于最大化效用分配原则是资源分配领域研究的重点。基于资源可用性分配原则是技术发展之初重点关注的方向，只有将授权用户未使用的或者可以与授权用户共享的并且满足认知用户业务需求的频谱资源分配给认知用户才能进行数据传输，保证认知系统的可靠性。

1.2 全球申请量分析

图2显示出了从06年起认知无线电资源分配技术领域国内申请人、国外申请人以及全球范围内在认知无线电资源分配领域的申请趋势。在中文数据库CNABS以及DWPI数据库中经检索和人工筛选，最终获得认知无线电资源分配领域公开的全球专利申请共538件。从图2可以看出从2006年开始全球申请量呈逐年上升趋势，表明了认知无线电资源分配技术的快速发展，至2011年达到顶点，之后逐渐趋于平稳；在发展之初，国内和国外申请量都是呈逐年上升趋势，且国外申请量明显高于国内申请量，与国外相比，我国认知无线电方面的研究起步比较晚，资源分配领域的专利申请在早期少于国外申请，但对认知无线电技术的高度重视，使得资源分配领域的申请量快速增长，表明了该技术在国内的蓬勃发展；国外申请在08年之后平稳发展，而国内申请仍呈上升趋势并在2011年达到顶点，这也是该技术在国内发展成熟的标志，在2011年以后国内申请量呈平稳趋势。由于专利申请一般是在申请日之后18个月公开，因此2015年和2016年的申请未被完全统计。

1.3 國外/国内主要申请人

图3显示了国外主要申请人概况，从图中可以看出，排名前10位申请主要由大型通信企业、高校和研究所组成，其中三星排名第一，其在认知无线电资源分配领域的申请量达20余件。如摩托罗拉、LG、诺基亚，等全球知名通信企业也在前10位之中。

图4显示了国内主要申请人概况，从图中可以看出，前10位申请人由高校、国内大型通信企业和研究所组成，其中主要是国内各知名高校，表明了高校是前沿技术研究的摇篮。中兴和华为两大通信巨头也在主要申请人之列，其申请量分别位18和15件。

2 结束语

本文对认知无线电资源分配专利技术进行分析和整理，对认知无线电资源分配领域专利技术分支、专利申请全球申请量、国内主要申请人、国外主要申请人进行重点分析。国外申请主要集中在大型企业且数量和质量都较为均衡；而国内申请大多集中在高校，高校的申请大多注重理论研究，实际应用较少，国内企业的申请中也集中在中兴和华为国内两大通信企业。目前大多认知无线电资源分配技术体现的分配原则较为单一不够全面，综合多个分配原则制定更加全面合理的资源分配策略同时提高认知无线电系统性能是资源分配技术的趋势和重点。

参考文献：

[1]郭彩丽.认知无线电网络技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]徐友云.认知无线电网络资源分配博弈模型与性能分析[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]张洁.认知无线电中资源分配算法研究[D].北京邮电大学，2012.

[4]王亮亮.基于博弈论的MIMO认知无线电资源分配[D].吉林大学，2012.

[5]裴婧.基于OFDM的认知无线电频谱资源分配算法研究[D].重庆大学，2014.

[6]梁辉.基于OFDM的多准则下认知无线电资源分配问题的研究[D].吉林大学，2011.