摘要：認(rèn)知無線電是一種智能頻譜共享技術(shù)，它通過自適應(yīng)頻譜感知尋找“頻譜空穴”，智能學(xué)習(xí)并實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻譜動態(tài)分配和頻譜共享，顯著改善現(xiàn)有頻譜利用率。概括介紹了CR的QoS方案研究現(xiàn)狀，并指出目前研究存在的問題以及可進(jìn)一步研究的方向。
關(guān)鍵詞：CR技術(shù)；IEEE；QoS；動態(tài)頻譜分配

    為了改善當(dāng)前頻譜利用率低的狀況，Joseph Mitola III于1999年提出了一種叫做認(rèn)知無線電CR（Cognitive Radio）的“頻譜池”系統(tǒng)，從此認(rèn)知無線電技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。人們希望通過認(rèn)知無線電自適應(yīng)感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的動態(tài)共享，從而大大提高現(xiàn)有頻譜資源的利用率。
　QoS（服務(wù)質(zhì)量）是網(wǎng)絡(luò)提供更高優(yōu)先服務(wù)的一種能力，包括專用帶寬、抖動控制和延遲、丟包率等，同時(shí)確保為每種流量提供的優(yōu)先權(quán)不會阻礙其他流量的進(jìn)程。不同的應(yīng)用或不同的業(yè)務(wù)（如數(shù)據(jù)、音頻、視頻、多媒體等）在時(shí)延、帶寬、丟包率等方面都有著不同的需求。
　利用認(rèn)知無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線頻譜資源動態(tài)共享的過程中，QoS問題引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的極大關(guān)注[1-3]。由于存在保障主用戶、次用戶、多個(gè)次用戶等情況下的QoS，也存在著使用中可用頻譜資源的快速感知、使用中可用頻譜資源質(zhì)量的快速評估、單個(gè)次用戶的頻譜切換、使用中多個(gè)次用戶的頻譜切換等多種在有線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中所沒有的復(fù)雜情況，使得在無線資源動態(tài)共享情況下QoS的保證與有線網(wǎng)絡(luò)和其他無線頻譜資源在固定的靜態(tài)分配方式的無線網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，因此，必須提出有效的、能夠自適應(yīng)調(diào)整的頻譜資源分配方案及管理策略以保證各用戶的QoS，這也是擴(kuò)大無線通信應(yīng)用范圍和層次、滿足無線終端系統(tǒng)成為綜合的、智能的信息終端的最為關(guān)鍵的技術(shù)保證。 在目前并沒有很好的方案來解決這些問題[1-3]。
1 CR中QoS保障的研究現(xiàn)狀
1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　在動態(tài)共享可用頻譜資源的服務(wù)質(zhì)量保障方面，已有一些研究成果。參考文獻(xiàn)[1]提出通過改變吞吐量和延遲來優(yōu)化QoS，同時(shí)降低誤比特率BER（Bit Error Rate）來保證主用戶和次用戶的QoS，也可以通過減少傳送功率保證QoS。參考文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，如果BER小于SQP（Sequential Quadratic Programming），則主用戶的QoS保證質(zhì)量會下降，而次用戶的傳輸功率的降低會提高主用戶的QoS。采用納什協(xié)商技術(shù)NBS（Nash Bargaining Solutions），可以保證有效地、公平地分配資源。參考文獻(xiàn)[3]提出在收發(fā)兩端均采用機(jī)會頻譜獲取方式，多個(gè)信道相互合作感知，以保證QoS。參考文獻(xiàn)[4]提出端對端的BER方式，結(jié)合機(jī)會頻譜獲取方法，提出機(jī)會認(rèn)知模型，提高QoS。參考文獻(xiàn)[5]則提出將BER固定，通過限制功率，已達(dá)到QoS最優(yōu)化的目的。這種對QoS的研究大多基于對BER和傳輸功率的控制或改進(jìn)，著重于單個(gè)次用戶已經(jīng)獲得可用頻譜資源使用權(quán)的情況下，如何保障其服務(wù)質(zhì)量方面，而且這種研究僅著重于理論研究與初級階段，還需要進(jìn)行深入研究與實(shí)驗(yàn)論證。對多用戶競爭共享中的協(xié)調(diào)分配機(jī)制研究較少，對各用戶服務(wù)質(zhì)量保障方面的研究也少有文獻(xiàn)涉及。
　參考文獻(xiàn)[6]研究了頻譜切換的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)[7]討論了預(yù)留信道的數(shù)量對連接保持概率的影響，但這些工作都是把焦點(diǎn)放在物理層的影響上而沒有考慮對MAC層的影響；參考文獻(xiàn)[8]研究了3種頻譜切換并從連接保持概率和次用戶傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)率兩個(gè)方面來研究這三種機(jī)制的性能；參考文獻(xiàn)[9]通過模糊數(shù)學(xué)的方法來研究在一個(gè)不確定、不完全及多種混雜信息環(huán)境的特征下次用戶如何做出頻譜切換決策，它降低了次用戶設(shè)備的軟硬件設(shè)備的復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度；參考文獻(xiàn)[10]提出一個(gè)基于認(rèn)知無線電媒體介入控制協(xié)議的頻譜切換方案，該方案使次用戶在不對主用戶造成干擾的條件下能夠機(jī)會主義地使用未使用的授權(quán)頻譜；參考文獻(xiàn)[11]研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的兩種頻譜切換的方案：反應(yīng)式的感知頻譜切換和主動感知頻譜切換；參考文獻(xiàn)[12]研究了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜切換的性能，提出了頻譜切換的時(shí)間關(guān)系模型，研究了頻譜移動性和認(rèn)知用戶的服務(wù)時(shí)間對頻譜切換概率的影響。
　針對頻譜切換過程中，如何保證主用戶和次用戶的服務(wù)質(zhì)量問題，國內(nèi)外科研人員進(jìn)行了一些探索。在保護(hù)主用戶方面，要滿足一定的時(shí)延容忍限制和干擾限制，參考文獻(xiàn)[13]將來自大規(guī)模認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的累積干擾模型化并研究它怎樣影響認(rèn)知無線電的感知要求以滿足干擾限制，參考文獻(xiàn)[14]通過隨機(jī)干擾特征方程的一般式來研究主用戶被保護(hù)區(qū)域半徑、陰影和小規(guī)模衰退（small scale fading）對干擾能量概率密度函數(shù)的影響；對于次用戶，是在誤碼率要求、延遲抖動、容量（速率）限制、SINR約束、功率控制、各種目標(biāo)概率（阻塞概率、丟失概率和失敗概率）限制、切換開銷方面。參考文獻(xiàn)[15]通過預(yù)留機(jī)制來保證次用戶能夠快速地切換到可用頻譜上，減少了頻譜切換的時(shí)間開銷，提出一種算法用以研究預(yù)留容量(backup capacity)的共享問題，改善了容量使用和吞吐量可靠性兩方面的性能。
1.2 研究方法現(xiàn)狀
　大量的文章都在研究新的頻譜管理策略，頻譜管理最主要的是設(shè)計(jì)一個(gè)高效的頻譜自適應(yīng)策略。目前在頻譜分配、功率控制、伺機(jī)接入控制方面研究較多。另外切換技術(shù)、資源調(diào)度、路由及安全等方面均有研究。
　頻譜分配主要采用博弈論［16］、價(jià)值論［17］、圖著色理論［18］等。博弈論分為協(xié)作與非協(xié)作兩類，目前廣泛采用非協(xié)作方式。協(xié)作博弈考慮公平性，追求全局最優(yōu)化，非協(xié)作博弈考慮自身利益最大化。YU最先提出非協(xié)作博弈來對頻譜進(jìn)行管理，并在參考文獻(xiàn)[16]中提出迭代注水法：當(dāng)用戶之間不合作時(shí)，單個(gè)發(fā)射機(jī)性能通過發(fā)射功率的同時(shí)注水分布來優(yōu)化。SHAMIK在設(shè)計(jì)效用函數(shù)同時(shí)考慮自身利益和他人利益，使非協(xié)作博弈的均衡狀態(tài)收斂于系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)。WANG等人提出CRs動態(tài)地選擇信道和適應(yīng)傳送功率和速度的PIWF（Price-based Iterative Water-Filling）法，提高吞吐量，降低消耗，提高頻譜利用率。WANG等人在考慮信道分配時(shí)著重考慮了次用戶的list-coloring[18]問題，但沒有考慮干擾限制（interference constraints）。
　認(rèn)知無線電中的功率控制研究主要是設(shè)計(jì)效用函數(shù)、干擾限制值研究以及信道探測等。功率控制中效用函數(shù)的基本思想是將影響功率控制和QoS性能的參數(shù)用數(shù)學(xué)式表示出來（如SINR、功率和速率的關(guān)系等），然后求出最優(yōu)解，即得到功率分配的最優(yōu)參數(shù)，得到最優(yōu)分配方案。在進(jìn)行最優(yōu)值求解時(shí)，通常采用凸優(yōu)化算法、納什均衡法、啟發(fā)式算法、注水算法等。參考文獻(xiàn)[19]通過干擾限制和峰值功率約束的方法來提高吞吐量、最大化速率并平衡SINR。
　伺機(jī)接入控制技術(shù)分為合作式與非合作式兩種。ZHENG等人提出基于圖著色理論的、以網(wǎng)絡(luò)為中心的協(xié)作和公平性隨機(jī)頻譜接入算法，在避免次用戶間干擾的前提下最大化系統(tǒng)效益。參考文獻(xiàn)[20]采用馬爾可夫模型來描述主認(rèn)知用戶的信道質(zhì)量變化，通過最優(yōu)化技術(shù)求出最佳分配參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳信道分配。LOKUGE等人研究了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下的端到端的路徑性能特征，包括最優(yōu)化能量、安全、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的抖動、吞吐量、復(fù)雜性和代價(jià)，引入基于預(yù)留的多路統(tǒng)計(jì)多媒體接入?yún)f(xié)議。完成了MAC層一整套設(shè)計(jì)[21]，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)接入。
2 存在的問題及進(jìn)一步可研究點(diǎn)
   由此可以看出，當(dāng)前對頻譜管理和分配方面雖然也取得了一些進(jìn)步，有的也給出了數(shù)學(xué)模型，但總體上還處于一種理論研究的初級階段，要想實(shí)際應(yīng)用還有許多問題有待解決。
　由于這種工作在非授權(quán)的系統(tǒng)（如WRAN系統(tǒng)）中的用戶駐地設(shè)備CPE不需要注冊，就會出現(xiàn)相互競爭頻譜資源的現(xiàn)象，因此多用戶的資源共享是需要重點(diǎn)解決的問題。其中允許哪一個(gè)用戶先接入、哪一個(gè)用戶后再接入、允許接入的標(biāo)準(zhǔn)是什么，競爭機(jī)制該如何統(tǒng)一，怎樣協(xié)調(diào)多用戶的資源分配問題，不同業(yè)務(wù)等級用戶的質(zhì)量保障機(jī)制該如何建立，這些都是目前沒有完全解決的問題。
　頻譜池是一種資源共享的方法，也是目前研究的主要策略。這種方法利用博弈論和信息論原理來建立授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶之間的協(xié)調(diào)和管理機(jī)制，使頻譜資源的利用率最大。但是在這種共享中對QoS的研究大多基于對BER和傳輸功率的控制或改進(jìn)當(dāng)中。
　單個(gè)認(rèn)知用戶已經(jīng)獲得可用頻譜資源的使用權(quán)，但是如何保障其服務(wù)質(zhì)量、如何避免或最小化對授權(quán)用戶的干擾以及如何減少與授權(quán)用戶的碰撞概率，這種研究還處在理論研究的初級階段，還需要進(jìn)行深入研究與實(shí)驗(yàn)論證。
　多個(gè)次用戶共存的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)單個(gè)次用戶頻譜切換和多個(gè)次用戶頻譜切換時(shí)，如何保證主用戶和次用戶的QoS以及如何提高系統(tǒng)的整體性能，都是需要研究的問題。
　對多用戶競爭共享中的協(xié)調(diào)分配機(jī)制研究較少，對各用戶服務(wù)質(zhì)量保障方面的研究尚未見文獻(xiàn)涉及。
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