认知无线电网络

⑴ 基于模型的认知无线电网络频谱分配算法仿真与实现 的毕业论文

【摘要】 本研究课题受到了国家自然科学基金《基于时域频谱利用概率分布曲线拟合的频谱检测研究》(编号:60772110),华为科技基金《基于授权用户频谱利用统计规律的认知MAC机制与算法研究》和北京邮电大学校级基金《认知无线电系统频谱检测与机会接入研究》的资助。随着飞速演进的无线通信不断朝着宽带化、无缝化、智能化的方向发展,我们不得不面对的瓶颈之一就是频谱资源的不足。目前特定通信业务固定分配专用频谱的方式,常常会出现频谱资源分配不均,甚至浪费的情形,这与当前广泛关注的频谱资源短缺问题相互矛盾。认知无线电(CR,Cognitive Radio)技术作为一种智能频谱共享技术可有效地缓解上述矛盾,它通过感知频域、时域和空域等频谱环境,自动搜寻并利用已授权频段的空闲频谱,实现不可再生频谱资源的再利用,为解决如何在有限频谱资源条件下提高频谱利用率这一无线通信难题开辟了一条新的途径。本文首先分析了课题的研究背景,简单说明了认知无线电的定义和功能,较细致地阐述了认知无线电的关键技术和典型应用;在接下来的第三、第四和第五章节中详细论述了本文完成的主要工作:本文主要就认知无线电频谱分配领域中所存在的问题做了较深入地研究,一是基于着色理论的频谱分配算法的研究,二是基于速率要求的频谱分配算法的研究,三是基于授权链路保护的频谱分配模型和算法的研究。在第三章中针对信道权值归一化问题研究了适用于实际网络的频谱分配算法。基于图着色原理给出了一种认知无线电的频谱分配模型,针对实际网络中信道存在吞吐量权值的情况,提出了加权分布式贪婪算法、加权分布式公平算法、加权分布式随机算法。经仿真验证,加权分布式贪婪算法、加权分布式公平算法和加权分布式随机算法分别获得了较高的吞吐量、公平性和复杂度性能。在第四章中研究了根据CR用户速率需求来进行频谱分配的优化算法。基于拥塞博弈给出了一种频谱分配模型,提出了一种基于传输速率要求的快速收敛的频谱分配算法。仿真分析证明,该算法能根据CR用户的传输速率要求最优化频谱分配,有较快的收敛速度。在第五章中研究了能够保护授权用户的频谱优化分配算法。基于博弈论提出了一种新型的频谱分配模型。仿真分析证明,基于该模型的迭代算法能在保护授权链路的前提下对CR链路进行最优化频谱分配;同时仿真给出了授权链路承受干扰和CR链路的信干噪比(SINR,Signal to Interference plus Noise Ratio)与比例因子的关系,为该模型应用于不同性能要求的认知无线电网络(CRN,Cognitive Radio Network)提供了参数。
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世界上没有任何东西是完美的，文章也是一样，我不敢保证我们团写出来的文章一定会让你捧上奖杯，获得名次。但这里面承载的心血和汗水不比任何写作团来的少，因为责任就是肩膀上的大山。不是我们写不出华丽清晰的文章，而是不可预定的因素太多，轻易地给您承诺说我是最好的恰恰说明了我的不成熟和轻浮。我想我简单的介绍并不能让你感觉眼前一亮，但你细细的品读定会感觉我们团靠谱务实的作风。

⑵ 认知无线电的定义

1．JosephMitola对认知无线电的定义
1999年，JosephMitola在他的学术论文 中首先提出了认知无线电的概念，并描述了认知无线电如何通过“无线电知识描述语言（RKRL，）”来提高个人无线业务的灵活性。随后，JosephMitola在他的博士论文中详细探讨了这一理论 。他认为：认知无线电应该充分利用无线个人数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面的智能计算能力来检测用户通信需求，并根据这些需求提供最合适的无线电资源和无线业务。Mitola的认知无线电的定义是对软件无线电的扩展。认知无线电以软件无线电为平台，并使软件无线电智能化。
2．FCC的认知无线电定义
JosephMitola定义的认知无线电强调“学习”的能力，认知无线电系统需要考虑通信环境中的每一个可能参数，然后做出决定。相比于JosephMitola的定义，FCC针对频谱有效分配问题对认知无线电做出的定义更能为业界所接受。在2003年12月的一则通告 中，FCC对认知无线电作出如下定义：认知无线电是能够与所处的通信环境进行交互并根据交互结果改变自身传输参数的无线电。
FCC对认知无线电的这个定义主要是基于频谱资源分配和管理问题提出的。目前无线频谱资源的规划和使用都是由政府制定的，无线通信设备对频谱的使用需要经过政府的许可。而固定的频谱分配政策导致了频谱不能有效利用的问题。比如分配给蜂窝移动通信系统的频带经常超负荷，而共用频带没有充分使用等。而且频段的利用率在不同的时间和空间也有所不同。
3．其他的认知无线电定义
除了JosephMitola和FCC外，还有很多学者对认知无线电进行了定义。
比如，SimonHaykin结合JosephMitola和FCC的观点，对认知无线电做出如下定义 ：认知无线电是一个智能无线通信系统，它能感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变传输功率、载波频率和调制方式等系统参数，使系统适应外界环境的变化，从而达到很高的频谱利用率和最佳通信性能。

⑶ 认知无线电的研究现状

目前，国内外认知无线电技术的研究大都集中在物理层、MAC层、网络层的功能方面，如频谱感知、功率控制、频谱共享、频谱移动性管理、认知无线电的安全技术以及认知无线电的跨层设计等技术。
针对认知无线电的发展，世界各国通信专家都密切关注，国内外的大学和科研机构也相续开展了认知无线电技术的研究。其中主要的研究机构有美国国防高级研究计划署（DARPA，）、维吉尼亚无线通信技术中心、英国移动电信技术虚拟中心多模终端研究小组、布里斯托尔大学通信系统研究中心和欧洲通信协会等。此外，美国加州大学伯克利分校的无线研究中心、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院等也有关于认知无线电方面的研究。
近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，并开展了相关的研究，这些研究机构主要是清华大学、电子科技大学、西安交通大学及香港科技大学等高校。鉴于目前的认知无线电的研究状况，国家“863”计划基金也在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。

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⑸ 什么是认知无线电技术

认知无线电
认知无线电(Cognitive
Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph
Mitolo博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。CR的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行实时响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。这样，CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。随着许多CR相关研究的展开，对CR技术存在多种不同的认识。最典型的一类是围绕Mitola博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件定义无线电(Software
Defined
Radio，SDR)是CR实现的理想平台。
针对CR研究中存在的多种描述，美国FCC提出了CR的一个相当简化的版本。他们在FCC-03322中建议任何具有自适应频谱意识的无线电都应该被称为认知无线电CR。FCC更确切地把CR定义为基于与操作环境的交互能动态改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能。CR是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户(主用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。无线电环境中的无线信道和干扰是随时间变化的，这就暗示CR将具有较高的灵活性。目前，CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等。
当前，在频谱政策管理部门的带动下，一些标准化组织采用了CR技术，并先后制定了一系列标准以推动该技术在多种应用场景下的发展。例如，IEEE802.22工作组对基于CR的无线区域网络WRAN的空中接口标准正在制定中，目标是将分配给电视广播的VHF/UHF频带的空闲频道有效的利用起来；IEEE802.16工作组正在着手制定h版本标准，致力于改进如策略、MAC增强等机制以确保基于WiMAX的免授权系统之间、与授权系统之间的共存。此外，ITU也在努力寻找类似CR的频谱共享技术。目前，受CR的潜力及其在无线电领域公认的“下下一件大事情”的激励，国内不少院校和学者也已经开始了这方面的研究，如西安电子科技大学已经开展的2005年度“863”有关CR技术的研究。
认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显着特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum
Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic
spectrum
allocation）和频谱共享（Spectrum
Sharing）。

⑹ 认知无线电的应用

UWB技术产生于20世纪60年代，当时主要应用于脉冲雷达（ImpulseRadar），美国军方利用其进行安全通信中的精确定位和成像。至20世纪90年代之前，UWB主要应用于军事领域，之后UWB技术开始应用于民用领域。UWB由于具有传输速率高、系统容量大、抵抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，被认为是下一代无线通信的革命性技术，而且是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术。
认知无线电采用频谱感知技术，能够感知周围频谱环境的特性，通过动态频谱感知来探测“频谱空洞”，合理地、机会性地利用临时可用的频段，潜在地提高频谱的利用率。与此同时，认知无线电技术还支持根据感知结果动态地、自适应地改变系统的传输参数，以保证高优先级的授权主用户对频段的优先使用，改善频谱共享，与其他系统更好地共存。 无线Mesh网络是近几年出现的具有一种无线多跳（Multi-hop）的网络结构。在Mesh网络中，每个节点可以和一个或者多个对等节点直接通信；同时也能模拟路由器的功能，从邻近节点接收消息并进行中继转发。这样，Mesh网络通过邻近节点之间的低功率传输取代了远距离节点间的大功率传输，实现了低成本的随时随地接入。网络中所有节点之间是相互协作的，如果Mesh网络中的一条链路失效了，网络可以通过替代链路将信息路由到目的地，优化了频谱的使用。
认知无线电和无线Mesh网络结合，正是在增大网络密度和提高服务吞吐量的发展趋势下提出来的，适用于可能有严重的线路争用情况的人口稠密城市的无线宽带接入。认知Mesh网络通过中继方式可以有效地扩展网络覆盖范围，当一个无线Mesh网的骨干网络是由认知接入点和固定中继点组成时，无线Mesh网的覆盖范围能够大大增加。尤其是在受限于视距传输的微波频段，认知Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入。 一般的多跳Ad-hoc网络在发送数据包时会预先确定通信路由。认知无线电技术能够实时地收集信息并且自动选择波形，并向各方通知尚未使用的频率信息，适用于具有不可提前预测的频谱使用模式的应用场景。因此，当认知无线电技术应用于低功耗多跳Ad-hoc网络，能够满足分布式认知用户之间的通信需求。
由于认知无线电系统可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择，而频率的改变通常需要路由协议等进行相应调整，因此，基于认知无线电技术的Ad-hoc网络需要新的支持分布式频率共享的MAC协议和路由协议。

⑺ 感知无线是什么

线电通信频谱是一种宝贵的资源，目前的频谱管理主要存在3个方面的矛盾情况：频谱使用是动态的，但频谱分配是固定的；频谱是稀有资源，但频谱利用率不高，且存在大量空闲；可分配频谱很少，但无线通信业务量和新技术在快速发展，频谱需要量也在快速增长。

导致这些矛盾的根本原因在于固定分配频谱方案和独占频谱使用权（即业务接入权或频谱准入权）原则，因此有必要改变目前的频谱分配和频谱准入的管理办法，目前ITU和FCC等无线电法规部门都已开始讨论和研究这个问题。但由于固定频谱分配方案过去在频谱规范管理方面曾发挥过很好的作用，同时存在巨大的经济和政治背景，短期内改变这种状况很困难。

因此，现阶段最实际的办法是通过改变业务接入权或频谱准入权，以开放频谱使用、提高频谱使用效率和充分利用空闲频谱。特别是如果能够将已分配但大量空闲的频谱资源加以合理利用，目前频谱资源的紧张状况将得到极大的改善；在军事通信对抗环境，往往既定的通信传输频段因被敌方干扰或传播环境恶劣而无法通信，必须寻找可以利用的空闲频谱进行通信。这样，迫切需要一种技术来解决开放频谱和提高频谱利用效率问题。

目前已有一些提高频谱利用效率的方法，但不能从根本上解决问题，另外开放频谱必须保护已购买频谱者的利益，同时不能对授权使用该频谱的业务和系统产生严重的干扰，影响它们的正常通信。感知无线电（Cognitive Radio，CR）提供了一种按伺机的方式共享和利用频谱的手段，它可以有效地解决这两个问题。目前采用的是基于频谱授权的静态频带分配的原则。随着无线通信技术的高速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，然而绝大多数国家的频谱资源利用率却不容乐观[1]。认知无线电技术正是基于这一问题提出的。认知无线电是一种用于提高无线电通信频谱利用率的新的智能技术。具有认知功能的无线通信设备可以感知周围的环境，再利用已经分配给授权用户，但在某一特定的时刻和环境下并没有被占用的频带，即动态再利用“频谱空穴”；并能够根据输入激励的变化实时地调整其传输参数，在有限信号空间中以最优的方式有效地传送信息，以实现无论何时何地都能保证通信的高可靠性和无线频谱利用的高效性[2]。认知无线电的一个基本的认知周期要经历三种基本过程：感知频谱环境；信道识别；功率控制和频谱管理。其中，认知无线电的首要任务是感知频谱环境，即频谱空穴的检测和选择。

2 频谱环境的感知

感知频谱环境是认知无线电首要的任务，它体现了认知无线电最显着的特征：能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的频谱空穴。目前，认知无线电可能最先使用的两个频段是超高频电视频段400MHz-800MHz和已分配较少的3GHz-10GHz频段[3]。但不可否认的是，随着认知无线电技术的发展，会有更多的已分配频段供认知用户使用。可见，认知无线电将会面对不同种类的用户，也就要求不同的灵敏度和感知速度，因此频谱环境的检测方法也有所不同。目前研究较多的方法有：匹配滤波器法、能量检测法、循环平稳特定检测法等等。

3 极弱信号的检测问题

在认知无线电网络中，极有可能出现接收机的位置距离原始发送机太远，以至于它们从边缘开始接受信号的情况。此时，频谱环境的感知可归类为极弱信号的检测问题。我们不仅可以通过改进频谱检测法来提高弱信号的检测概率，还可以引入“协同机制”来更好地改善极弱信号的接收问题。

我们建立一个简单的模型来说明协同机制的原理，如图3所示，接收机R距离授权发送机P很远，只能从P用户功率边缘上接受信号，即接收极弱的信号。此时C1进行频谱检测后，极有可能误认为该频带是频谱空穴。为了防止对授权用户P造成干扰，我们引入协同机制。假设存在认知用户C2满足条件：C2处于P发射的功率主瓣范围内，并且C2与P 之间的距离相对于R 与P 更近。这时，由C2 作为C1 的中继点来感知P的发射功率，则能比较准确地分辨出P是否在和R进行通信。C1将数据包发送给C2，由C2 来转发，如果P 与R 正在通信，C2 就返回给C1一个信息，由C1决定是否等待或是寻找另外的频谱空穴。这样，C1 和C2就构建了协同的关系，使C1 更快更准确地感知频谱环境。上述的模型是比较简单的情况，只考虑了两个认知用户。当模型更复杂些，例如多用户的感知网络时，就必须考虑怎样建立协同机制的问题了。一些文献给出了相关讨论，提出在多用户的感知网络中，两两绑定的协同机制是比较实用的，即每两个认知用户为一组，相互协同完成频谱环境的感知[7]。该协同机制在很大程度上提高了感知频谱环境的准确性与效率，并且实现起来也比较容易.

5 感知无线电是一种无线电系统，它能够自动地检测周围的环境情况，智能地调整系统的参数以适应环境的变化，在不对授权用户造成干扰的条件下从空间、频率、时间等多维地利用空闲频谱资源进行通信。它区别于其他传统无线电系统的主要特点是：对环境情况的感知能力、对环境变化的自适应性、系统功能模块的可重构性、自主地工作和运行等。

感知无线电技术是无线电发展的一个新里程碑，其应用会带来历史性的变革。对于频谱管制者而言，该技术可以大大提高可用频谱数量，提高频谱利用率，有效利用资源；对于频谱持有者而言，利用该技术可以在不受干扰的前提下开发二级频谱市场，在相同频段上提供不同的服务；对设备厂商而言，该技术可以带来更多的机会，具备感知无线电功能的设备将更具竞争力；对终端用户而言，可以带来更多带宽，在感知无线电技术成熟后，用户则可以享受到单个无线电终端接入多种无线网络的优势；在军事通信方面，根据感知无线电的特点可以“见缝插针”地利用空闲频谱通信，提高通信的可靠性和对抗能力。因此，感知无线电技术必将是未来无线通信的一个重要发展方向，为无线电资源管理和无线接入市场带来新的发展契机和动力。

6认知无线电技术的发展现状

目前，CR主要出于初级阶段，各项理论和技术处于研究和探索中，但它已得到了各界的关注，很多着名学者和机构投入到它的研究中。启动了很多正对此的研究项目，最引人注目的是IEEE802.22工作组的工作，该工作组制定了利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。无线电知识描述语言也应运而生，惊奇CR的主要目标是提高频谱利用率，研究预计，频谱利用率将提高3% 到10%。它的长远目标是与各项技术更好的结合，满足日益增长的用户对频谱的需求，目前，认知无线电技术炙手可热，应用前景一片大好。

综上可知，认知无线电技术使无线通信设备具有发现频谱空穴并合理利用空穴的能力，可以实现高效灵活的频谱资源配置和工作状态调整。认知无线电首要的任务是感知频谱环境，本文对比分析了三种频谱检测的方法：匹配滤波器法、能量检测法和循环平稳特性检测法，针对其优缺点给出了各自适用的环境。另外，本文还介绍了“协同机制”用于改善极弱信号的接收问题。我们相信，随着科

技发展和CR技术成熟，在不久的未来，认知无线电将有效地服务于人们的生活

⑻ 一种解决认知无线电网络模仿主用户攻击问题的方案

摘 要:针对认知无线电网络中出现的模仿主用户攻击问题，提出一种基于HASH匹配技术的解决方案。当主用户网络工作时，主用户基站在要传输的数据上附加用于HASH计算的原始数据，然后将它们发送出去，认知用户先对接收到的那些原始数据做HASH计算，然后将计算结果同预先保留的HASH值相比较。如果匹配成功，则证明有主用户出现。方案充分利用HASH函数计算速度快的特点，保证认知用户及时切换频谱，避免干扰主用户正常工作，利用HASH函数单向不可逆的特点保证了方案的安全性。给出了具体的设计方案。通过与相关方案比较，该方案具有安全、高效、可行的特点，能有效解决认知用户网络中出现的模仿主用户攻击问题。
http://www.cqvip.com/qk/92817X/200908/31295529.html

⑼ 认知无线网络与认知无线电网络是不是一回事

无线网络和无线电网络都是通过无线传播，但频段、频率等参数不同。