認(rèn)知無線環(huán)境下的頻譜管理：測量、分析和建模.pdf

1、隨著信號處理與集成電路等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展,無線通信在近幾十年取得了空前的進(jìn)步,但如今,無線通信卻面臨新的挑戰(zhàn)——頻譜資源匱乏。傳統(tǒng)的無線電設(shè)計在頻譜資源匱乏與應(yīng)用需求劇增之間的矛盾面前手足無措,但美國聯(lián)邦通信委員會的調(diào)查報告指出,當(dāng)前無線頻譜資源的嚴(yán)重缺乏并非由于無線頻譜資源的過度使用造成,相反,缺乏效率的頻譜分配政策與無所不在的資源浪費(fèi)使頻譜管理者陷入了尷尬境地。世界各國現(xiàn)行的頻率使用政策除分配極少的ISM開放頻段外,大多采用許可證

2、制度,即授權(quán)用戶使用分配的頻段,非授權(quán)用戶不得共享。固定的頻譜劃分方式使得不可再生的無線頻譜資源變得越來越少。
　　正當(dāng)業(yè)界尋求更先進(jìn)的無線通信技術(shù),如鏈路自適應(yīng)技術(shù)、MIMO技術(shù)等來提高頻譜效率的同時,卻發(fā)現(xiàn)已授權(quán)頻段,尤其是信號傳播特性良好的低頻段頻譜利用率極低。為了提高頻譜利用率,在不同地區(qū)、不同時段能有效利用空閑頻段,一種新的頻譜使用模式——認(rèn)知無線電(Cognitive Radio, CR)技術(shù)逐漸受到學(xué)界和業(yè)界的高度關(guān)

3、注。認(rèn)知無線電的基本思想是:在不對擁有頻譜的授權(quán)用戶或非授權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下,認(rèn)知用戶擇機(jī)(opportunistic)接入授權(quán)用戶頻段或非授權(quán)頻段,以提高頻譜利用率。認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn),為解決頻譜資源不足、實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理并提高頻譜利用率提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
　　認(rèn)知無線電作為一種資源共享的革命性技術(shù),可顯著提高頻譜資源利用率,并緩解頻譜資源短缺現(xiàn)狀。由于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是頻譜資源受限網(wǎng)絡(luò),需要與主用戶網(wǎng)絡(luò)協(xié)商或感知

4、主用戶頻段的―空隙‖從而獲取資源完成通信。認(rèn)知無線電應(yīng)用的前提是準(zhǔn)確認(rèn)知當(dāng)前無線頻譜的行為和模式,即通過對無線傳輸場景的測量、分析、建模和判決,獲得頻譜的可用性知識。
　　一直以來,對無線傳輸場景的實地測量是各國頻譜監(jiān)管機(jī)構(gòu)了解和掌握頻段使用率、避免通信設(shè)備之間相互干擾,進(jìn)而制定和調(diào)整頻譜使用政策的基礎(chǔ)手段。隨著認(rèn)知無線電技術(shù)研究的深入和應(yīng)用步伐的加快,進(jìn)一步拓展了無線傳輸場景測量和分析的應(yīng)用目的。無線環(huán)境下的頻譜管理是一種在特定

5、空域和特定時間測量、分析和建模特定頻段頻譜占用狀態(tài)的重要措施,通過對無線通信環(huán)境的感知,為頻譜監(jiān)管部門調(diào)整頻譜使用政策提供決策依據(jù),為新的無線通信設(shè)備發(fā)掘臨時可用的頻譜資源,進(jìn)而利用無線資源管理策略為新的無線通信終端提供服務(wù)質(zhì)量(Quility0of Service, QoS)保證。當(dāng)然,企業(yè)界和學(xué)術(shù)界對開展無線頻譜占用測量和分析有著不同的動機(jī),企業(yè)界的興趣主要在于利用認(rèn)知無線電技術(shù)最大化自身效益,而學(xué)術(shù)界更關(guān)注通過發(fā)掘低利用率頻段,為

6、新的無線通信系統(tǒng)的商用提供更多的頻譜可用機(jī)會。目前,針對認(rèn)知無線電相關(guān)技術(shù)的研究尚處于理論層面和原型樣機(jī)階段,利用實驗室原型樣機(jī)驗證和測試相關(guān)研究成果的性能,頻譜實地測量數(shù)據(jù)可以將原型樣機(jī)的演示和驗證推進(jìn)到比較實際的應(yīng)用場景。頻譜測量的另一個重要應(yīng)用在于可用于構(gòu)建和修正頻譜預(yù)測模型。
　　本文研究的第一個貢獻(xiàn)在于對尼日利亞幾個熱點(diǎn)地區(qū)的頻譜使用率進(jìn)行了實地測量、統(tǒng)計和分析。全球已有大量國家和地區(qū),包括美國、加拿大、英國、德國、中國

7、、韓國、新加坡、日本以及歐洲等對本國特定地區(qū)的無線頻譜占用情況進(jìn)行了實測和統(tǒng)計,建立了符合本國本地區(qū)開展移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃所需的電波傳播或干擾評估模型,而非洲國家(除南非外)幾乎從未開展過無線電環(huán)境下的頻譜占用實測。但從國家安全、社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展,特別是移動通信技術(shù)的推廣應(yīng)用角度出發(fā),開展無線頻譜占用和利用率實地測量都是非常必要的。尼日利亞聯(lián)邦共和國地處西非東南部,非洲幾內(nèi)亞灣西岸頂點(diǎn)。2001年,尼日尼亞放寬了對電信行業(yè)的限制,導(dǎo)致了

8、無線通信,特別是蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高速增長,全國現(xiàn)有MTN、Globacom、Airtel、Etisalat和Starcomms等5家移動通信運(yùn)營商提供3G移動服務(wù)。2011年,與中國長城工業(yè)公司合作發(fā)射了首顆通信衛(wèi)星——NigComSat-1R,旨在進(jìn)一步改善通信基礎(chǔ)設(shè)施。隨著人們對移動通信服務(wù)需求的進(jìn)一步提高,還有多家通信運(yùn)營商計劃開展移動通信商用業(yè)務(wù)。類似于尼日利亞等非洲國家,由于缺乏銅線或光纖等基礎(chǔ)部件和材料,對無線通信網(wǎng)絡(luò)

9、的依賴更重,對無線頻譜的需求更顯突出。在未來幾年。尼日利亞全國有1.5億人口要求提供通信服務(wù),頻譜需求與資源匱乏之間的矛盾日顯尖銳。2012年,以尼日利亞為首的非洲地區(qū)國家在世界無線電大會上會議強(qiáng)烈要求對該區(qū)域無線頻譜進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整和規(guī)劃,并引入新的通信技術(shù)手段為民眾提供高效的寬帶接入服務(wù)。2013年,ITU已批準(zhǔn)將700HMz頻段用于該地區(qū)寬帶無線接入服務(wù)。
　　為了完成無線頻譜使用率的實地測量、統(tǒng)計和分析,筆者構(gòu)建了一套測試分析

10、平臺,包括一臺 Aaronia AG HF-6060 V4頻譜分析儀,其頻率測量范圍為10MHz-6GHz;一付 Aaronia AG OmniLOG90200型寬帶天線,其適用頻率范圍為700MHz-2.5GHz;一臺筆記本電腦,通過 USB接口與頻譜分析儀輸出連接;一套MCS專用分析軟件,運(yùn)行于Aaronia AG頻譜分析儀應(yīng)用場合。MCS專用分析軟件擁有一套完善、直觀的圖形界面,參數(shù)設(shè)置和分析顯示均能通過界面完成。頻譜測量場景選擇

11、在3個不同的地點(diǎn)進(jìn)行,分別是Gwarinpa街區(qū),首都阿布賈(Abuja)的一個主要住宅區(qū);Wuse4區(qū),首都阿布賈的一個住宅金融中心;Gafai區(qū),尼日利亞南部Katsina古城的一部分。針對Gwarinpa街區(qū)的實地測量是在2012年暑假進(jìn)行的。測量范圍覆蓋了700-2400MHz頻帶,累計測量超過12小時。為了獲得真實準(zhǔn)確地頻譜占用和利用率信息,測量分白天和夜晚兩個單元開展,白天測量從上午9點(diǎn)到晚上9點(diǎn)時段,而夜晚測量則從晚上10

12、點(diǎn)至早上8點(diǎn)時段。Gwarinpa街區(qū)位于距Nnamdi Azikiwe國際機(jī)場19km附近,頻譜測量還記錄了航空頻段的相關(guān)數(shù)據(jù)。第二個測量地點(diǎn),Wuse4區(qū)位于阿布賈的商業(yè)中心區(qū)域,該區(qū)域包含了大量政府和商業(yè)設(shè)施以及部分住宅區(qū),測量范圍覆蓋了700-1200MHz頻帶,累計測量超過12小時,測量工作也是在2012年夏天進(jìn)行的。最后一個測量地點(diǎn)是 Gafai區(qū),位于人口密集的Katasina古城。此項測量工作是在2013年8月進(jìn)行的,測

13、量范圍覆蓋了700-1000MHz頻段,測量時間為上午8點(diǎn)到夜晚8點(diǎn),共12小時。
　　在三個測量區(qū)域所測量的頻段中,800MHz頻段提供無線通信服務(wù)和 CDMA應(yīng)急通信服務(wù);900MHz頻段提供 GSM移動通信服務(wù);470-960MHz頻段提供模擬電視廣播服務(wù),包括VHF頻段的12個信道以及UHF頻段的49個信道共61個信道。測量結(jié)果表明,該頻段的利用率約為26％,在所測頻譜范圍內(nèi)是最高的,主要原因是模擬電視廣播活動頻繁,GSM

14、網(wǎng)絡(luò)等移動通信業(yè)務(wù)繁忙。
　　1000-1500MHz頻段(1350-1550MHz)主要用于微波點(diǎn)對點(diǎn)通信服務(wù),由政府部門和 Niger三角區(qū)域和 Lagos的石油公司使用。測量結(jié)果表明,1000-1300MHz和1300-1500MHz的使用率分別為2.13％和1.85％,是所測頻率范圍內(nèi)使用率最低的。除了在1350-1450MHz附近的微波點(diǎn)對點(diǎn)通信外,基本上沒有其他活動。
　　1.5GHz-2.4GHz頻段主要提供3

15、G移動通信服務(wù)。測量結(jié)果表明,其頻譜利用率約為25.1％,也相對較高。如前所述,尼日利亞全國目前有5家移動通信運(yùn)營商提供3G移動服務(wù),通信網(wǎng)絡(luò)采用UMTS規(guī)定的WCDMA技術(shù)體制,信號的擴(kuò)頻特性使得信號被調(diào)制到很寬頻帶中,其特性類似噪聲,很難檢測。由于測量是在室內(nèi)環(huán)境實施的,天線接收信號能力可能被阻隔。
　　高于2.42GHz的ISM頻段有著17％的高使用率,但仍可以為第二用戶提供潛在的使用機(jī)會。通信衛(wèi)星在2.305-2.32MH

16、z和2.335-2.36MHz的上行和下行活動也能被檢測到。
　　本文研究的第二個貢獻(xiàn)是就不同無線通信系統(tǒng)24小時的占用情況進(jìn)行了實測、統(tǒng)計和分析。3種最常用的頻段分別是 TV廣播電視頻段、2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信頻段和3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信頻段,其中,TV廣播電視頻段在白天的占用率高,且不可預(yù)測,但在夜晚特別是0點(diǎn)過后占用率顯著減少,且不可預(yù)測。這一觀測結(jié)果與大多數(shù)電視臺在0點(diǎn)過后都會關(guān)閉的事實相吻合;2G和3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信頻段有著隨機(jī)性的占

17、用率,在白天高度不可預(yù)測,而在夜晚中度可預(yù)測,分析原因,可能是由于人們在白天使用移動通信更為頻繁所致。
　　將實地測量獲得的700-2400MHz的原始功率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為包含信道占用率的時間序列,該序列揭示了一個信道在給定時間區(qū)間究竟有多少時間是空閑的。信道空閑時間定義為信道占用序列數(shù)據(jù)中連續(xù)0的個數(shù),分析信道空閑時間發(fā)現(xiàn),信道空閑分布服從指數(shù)分布,盡管這些信道并非獨(dú)立分布的。本文獲得的該研究成果的貢獻(xiàn)不在于信道空閑的經(jīng)驗分布,而是獲

18、得了這些頻段上的空閑時隙概率分布。分析結(jié)果表明,盡管有豐富的使用機(jī)會,但實際上的時隙/頻譜機(jī)會要比預(yù)想的少很多。本質(zhì)上,頻譜被嚴(yán)格分割開,且散布在時間序列中,極大地減少了動態(tài)頻譜接入的頻譜可用機(jī)會。
　　信道空閑時間提供了一個特定信道的平均信息,而服務(wù)阻塞率指標(biāo)(SCR)則提供了頻譜在特定瞬間的短時信息,比如某第二用戶需要在3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)1800MHz上行和2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)900MHz上行之間選擇頻譜接入機(jī)會,假設(shè)兩張蜂窩網(wǎng)絡(luò)的總體占用

19、率相似,且信道空閑時間相同,此時就需要一個指標(biāo)來提供瞬時信息,以便第二用戶可以做出正確決策。為了達(dá)到這個目的,必須依據(jù)2G和3G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)通信頻段的上行和下行數(shù)據(jù)來評估服務(wù)阻塞率。
　　對頻率信道間的相關(guān)性檢測和預(yù)測是本文研究的第三個貢獻(xiàn)。頻率信道的相關(guān)性能反映不同頻率信道能提供的服務(wù)質(zhì)量等重要信息,由于信道使用率特征不可預(yù)測,對其進(jìn)行相關(guān)性分析必須在更長時間段進(jìn)行。本文在頻譜相關(guān)性分析中,隨機(jī)選取并測量獲得了5個信道1小時的原

20、始數(shù)據(jù),分析結(jié)果表明,所有信道的相關(guān)系數(shù)平均為0.5,這意味著各頻譜使用率模式之間有一定程度的獨(dú)立性。值得注意的是,所選取的部分信道在測試時間內(nèi)一直處于空閑狀態(tài)。通過對比分析Katsina鎮(zhèn)和阿布賈城的臨時頻段占用相關(guān)性,進(jìn)一步綜合考慮2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行頻段、下行頻段和 TV廣播電視頻段的技術(shù)特征,結(jié)果表明,不同服務(wù)之間沒有或很少有相關(guān)性,2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行頻段、下行頻段和 TV廣播電視頻段的相關(guān)系數(shù)分別0.1023、0.4999和0.23

21、03,這些發(fā)現(xiàn)與頻譜使用率只在地點(diǎn)上相關(guān)這一事實相符。 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻譜預(yù)測的主要優(yōu)勢在于，認(rèn)知無線電可以學(xué)習(xí)歷史信息，并改變自身工作參數(shù)而無需重新設(shè)計系統(tǒng)。不同于在無線通信系統(tǒng)設(shè)計中廣泛運(yùn)用的馬爾科夫鏈預(yù)測模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型只需要將最近的數(shù)據(jù)作為輸入，數(shù)據(jù)獲取時間短、數(shù)據(jù)量小、運(yùn)算復(fù)雜度低。機(jī)器學(xué)習(xí)算法被公認(rèn)為構(gòu)建認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知引擎的核心算法之一，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的高預(yù)測精度能減少感知整個頻段的時間，相應(yīng)的運(yùn)算處理能

22、耗也會大幅下降。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程中，有兩個重要因素必須重點(diǎn)關(guān)注：一個是相互連接的初始權(quán)重，另一個是訓(xùn)練更新的權(quán)重改變方式。一般而言，BP ANN的相互連接初始權(quán)重是隨機(jī)、盲目產(chǎn)生的，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入局部最優(yōu)，而降低了取得最優(yōu)解的概率，如果采用Delta準(zhǔn)則來修改BP ANN的相互連接權(quán)重，其收斂速度慢，甚至有時無法收斂。本文深入研究了BP ANN的上述問題，針對局部最小化問題，通過引入遺傳算法來調(diào)整相互連接初始權(quán)重。遺