认知无线电网络的MAC层关键技术(1)

认知无线电网络的MAC层关键技术(1)

认知无线电(CR)技术通过对授权频谱进行“二次利用”的方式，有效地缓解了频谱资源缺乏与日益增长的无线接入需求之间的矛盾，越来越受到人们的关注。

为实现CR用户利用频谱空穴的同时避免对授权用户造成有害干扰，要求CR网络的媒体接入控制(MAC)层不仅提供传统的服务，如媒体接入控制和健壮的数据传输，还能支持一套全新的功能，即在不干扰授权用户的条件下有效地实现机会式频谱利用。这些新的功能体现在MAC层的频谱检测管理、接入控制、动态频谱分配、安全机制及跨层设计等各个方面，下面将针对上述各技术分别进行探讨。

1 MAC层频谱检测管理

MAC层频谱检测管理主要用于控制物理层频谱检测算法的执行，如决定检测哪些信道、何时检测等。目前MAC层频谱检测管理的研究主要关注检测策略和检测参数的选取及优化，包括检测模式的选取、检测周期及检测时长的设置、检测信道的选取和检测静默期的设置等。

根据CR用户检测时机的不同，检测模式可分为周期检测和按需检测。周期检测是指CR用户按一定的周期检测信道，而不仅是有数据发送时才进行检测。这种方式可周期性地收集信道的状态信息，利于估计信道状态，快速定位频谱空穴。按需检测则是当CR用户有数据要发送时才去检测信道。相比周期检测，按需检测减少了不必要的检测开销，但检测到频谱空穴的时间较长。依据“能量效率”原则，通过对检测所消耗能量和寻找空闲信道所需延时进行折衷，实现了检测模式的自适应选择。

在周期检测中，选择合适的检测周期十分关键，若检测周期过大，则会因无法检测到某些空闲频谱，而损失掉一些接入机会，同时也会因未能及时检测到授权用户的出现而产生有害干扰；若检测周期过小，则会导致过于频繁的检测，消耗不必要的能量。周期检测通常包括同步周期检测和异步周期检测两种机制。同步周期检测机制为所有信道设置相同检测起始时间和相同检测周期，实现简单，缺乏灵活性；相对应的，异步周期检测机制灵活性受到了更多的关注。

文献[1]以最小化损失接入机会为优化目标，提出了一种自适应的异步检测周期优化算法。算法针对每个信道分别自适应设置其检测周期，对于减小定位空闲频谱时长，最大化利用接入机会起到了一定作用，但对每个信道来说，检测周期仍然是固定间隔的，即最优检测周期一旦选定就不再改变，本质上仍然是一种基于固定检测周期的检测机制。

作为固定周期检测机制的推广，]提出了一种基于可变检测周期(FSP)的检测机制，引入了“检测间隔控制因子”，通过调整该因子实现在信道状态可能发生变化的区域缩小检测周期，提高检测的效率，体现了周期变化的灵活性。为将FSP机制的可变检测周期进一步推广到随机检测周期，又引入了每隔一段随机时间进行检测的随机检测机制(RAPSS)，并提出了更具有一般性的检测周期优化模型(MRM-SPO)，同时考虑了实际应用中由物理层检测算法局限性引起的检测错误存在情况，及为避免与授权用户频谱冲撞引入的CR用户延迟占用信道机制等对检测周期优化的影响。

检测时长作为周期检测的另一个主要参数，其设置的合适与否本质上是检测质量和检测速度折中的体现。缩短检测时长会导致检测质量下降；增大检测时长可提高检测质量，但同时会降低可用空闲频谱的利用率。检测时长除与底层硬件设备及物理层检测算法直接相关外，还可根据CR用户对空闲频谱的利用率、检测速度与检测性能折中等指标进行选取和优化。

为快速寻找频谱机会，除了对检测时长进行优化外，还涉及到检测信道的选取问题。现有关于选取检测信道的研究主要包括以下几个方面：选取最有可能空闲的信道进行检测、优化信道检测顺序等。

此外，检测静默期的设置也是MAC层频谱检测管理的重要研究内容。从CR网络的角度考虑，CR用户检测CR网络内某一频谱时，所有系统内其他工作于这个频谱的用户都应需要一段时间保持静默，以确保CR用户自身的通信不会干扰到对授权用户信号的检测，其中这段时间称为静默期。

静默期按照实现方式的不同可以分为两种：同步静默期和异步静默期。在同步静默期方式中，同一时间CR用户在系统所有可用信道上都停止发射信号，设置较为简单，每个CR用户都能够检测所有信道；异步静默期方式则是一个或多个CR用户在所占用的特定信道上停止发射信号，每个信道可以有不同的静默期，CR用户通常只能检测自身所占用的信道。由于同步静默期的实现需要动态宽带滤波器的支持，目前的研究多关注异步静默期，主要有利用保护间隔的异步静默期、时间不重叠的异步静默期等。