1.3　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的特殊性，傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知技術(shù)、接入技術(shù)[17～21]和路由技術(shù)[22～36]無(wú)法直接應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的協(xié)議。下面介紹國(guó)內(nèi)外對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜感知、接入和路由技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1.3.1　頻譜感知技術(shù)

在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中，當(dāng)授權(quán)用戶(hù)未使用已授權(quán)的無(wú)線(xiàn)頻段時(shí)，次要用戶(hù)可以暫時(shí)使用該頻段，一旦授權(quán)用戶(hù)要使用該頻段，次要用戶(hù)必須立刻退出。次要用戶(hù)只有正確識(shí)別空閑的無(wú)線(xiàn)頻段，才能使用該頻段并避免對(duì)授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生干擾，因此，頻譜感知是次要用戶(hù)接入空閑頻段的前提。在感知過(guò)程中，如果采用單個(gè)用戶(hù)感知的方式，由于信道衰落、多徑效應(yīng)等原因，很可能會(huì)出現(xiàn)感知錯(cuò)誤。采用多用戶(hù)協(xié)作感知的方式，能夠提高頻譜感知的正確率。

在頻譜感知方面，ZHU X等提出了一種多用戶(hù)協(xié)作感知信道的方法，不需要授權(quán)用戶(hù)與信道的先驗(yàn)信息[8]。在缺乏先驗(yàn)信息和噪聲不確定的情況下，GAO R等提出了一種協(xié)作感知方式，利用傅里葉變換的獨(dú)立性，獲取能量頻譜密度的特性[9]。DING G等提出了一種具有普適性的模型，通過(guò)此模型分析惡意用戶(hù)對(duì)協(xié)作感知結(jié)果的影響，并提出具有魯棒性的協(xié)作感知機(jī)制[10]。LI B等在分布式環(huán)境中研究信道感知問(wèn)題，提出了一種貪婪頻譜感知算法，在均衡與獨(dú)立的信道條件下，該算法是最優(yōu)的[12]。HAN W等綜合考慮信號(hào)調(diào)制方式、多徑衰落及抽樣速率，提出了兩種有效的頻譜感知算法并分析了各自的性能[13]。GUO C等研究了感知頻譜的方式，采用極化天線(xiàn)捕捉信號(hào)的能量和極化信息[11]。上述研究沒(méi)有利用系統(tǒng)中存在的智能終端對(duì)信道狀態(tài)進(jìn)行感知。陳龍彪等提出采用智能手機(jī)等無(wú)線(xiàn)終端進(jìn)行感知的思想[16]。在文獻(xiàn)[14]中，提出了將用戶(hù)分配到多信道感知的方案，但沒(méi)有考慮地形特點(diǎn)。為了在較大地域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的感知，SHIN D H等提出了一種將頻譜感知的任務(wù)眾包給移動(dòng)終端用戶(hù)的方式，但該方法沒(méi)有考慮移動(dòng)終端用戶(hù)的能耗[15]。

1.3.2　動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)

在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中，次要用戶(hù)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的授權(quán)信道進(jìn)行感知，并發(fā)現(xiàn)其中的“空白”信道，將自身收發(fā)機(jī)的頻率調(diào)整到授權(quán)用戶(hù)未使用的空閑信道進(jìn)行通信。但當(dāng)授權(quán)用戶(hù)想使用這些頻段時(shí)，次要用戶(hù)必須撤出這些頻段，不能影響授權(quán)用戶(hù)的使用。因此，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中次要用戶(hù)的頻譜接入屬于動(dòng)態(tài)頻譜接入方式。

盡管認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的頻譜接入思想比較簡(jiǎn)單，但要設(shè)計(jì)出行之有效的協(xié)議，要面臨很多挑戰(zhàn)[37～40]。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中，考慮到授權(quán)用戶(hù)不定期地使用授權(quán)信道，導(dǎo)致授權(quán)信道的狀態(tài)不斷發(fā)生變化，將給MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）層的設(shè)計(jì)帶來(lái)很多難題。其中一個(gè)比較顯著的難點(diǎn)，同時(shí)也是重點(diǎn)就是競(jìng)爭(zhēng)接入與信道分配，即次要用戶(hù)如何決定在什么時(shí)間接入哪一個(gè)授權(quán)信道通信，并且不會(huì)對(duì)授權(quán)用戶(hù)的通信產(chǎn)生干擾。尤其在沒(méi)有中心控制節(jié)點(diǎn)的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)中，次要用戶(hù)之間是相互協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究將更具有挑戰(zhàn)性。目前，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的動(dòng)態(tài)頻譜接入研究受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

ZHAO Q等人將成熟的信號(hào)處理方法和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，提出了基于分布式認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)[41～42]，盡管這個(gè)策略能夠充分利用無(wú)線(xiàn)頻譜資源，但是由于需要次要用戶(hù)配置大量傳感器以獲取信道的狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難；XING Y P分成排隊(duì)和無(wú)排隊(duì)兩種情況，提出了將連續(xù)時(shí)間的馬爾可夫模型用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)頻譜接入，并通過(guò)機(jī)會(huì)接入的方式實(shí)現(xiàn)頻譜共享的公平性[43]；HYOIL KIM等人對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的關(guān)鍵性進(jìn)行了相關(guān)論述；SU H等人提出了基于周期的頻譜接入技術(shù)[45～47]，該技術(shù)需要次要用戶(hù)間的同步；HUNG S等人提出了基于信道優(yōu)化選擇的頻譜接入算法[48]，但不能有效解決“隱藏”終端和“暴露”終端問(wèn)題；文獻(xiàn)[49～53]分別討論了隨機(jī)頻譜接入的對(duì)等協(xié)作、一種多信道隨機(jī)自速率Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的功率量級(jí)、寬帶認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的一些物理層問(wèn)題、發(fā)送端存在旁路信息的混合信道等問(wèn)題，從不同的側(cè)面論述了基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的動(dòng)態(tài)頻譜管理及終端、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作等。

RAMAN C等人提出了通過(guò)頻譜管理服務(wù)器來(lái)進(jìn)行頻譜調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)最大傳輸率[54]，其信道分配基于圖論模型和線(xiàn)性規(guī)劃方法，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)能有效快速求解，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，所需時(shí)間急劇增加，導(dǎo)致該算法不能有效工作；THOPPIAN M等人研究了在一個(gè)多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，任意節(jié)點(diǎn)的MAC層數(shù)據(jù)的調(diào)度方式[55]；MISHA DOHLER M提出了一種利用干擾的時(shí)變波動(dòng)性的調(diào)度方式；ZHENG H等人提出了基于圖論染色模型的協(xié)作和公平性機(jī)會(huì)頻譜接入方案、認(rèn)知用戶(hù)間的局部協(xié)作算法及基于禮儀規(guī)則的非協(xié)作式頻譜共享方案[57～58]。NEEL J等人將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)和博弈論聯(lián)系起來(lái)，研究了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的收斂和優(yōu)化問(wèn)題[59～60]，重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)目標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)整體干擾最小時(shí)的算法設(shè)計(jì)和分析，其不足之處是局限于單個(gè)目標(biāo)[61]。文獻(xiàn)[62]對(duì)頻譜感知在認(rèn)知無(wú)電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜分配中的關(guān)鍵性進(jìn)行了相關(guān)論述；文獻(xiàn)[63]論述了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)信道頻譜分配準(zhǔn)則。

1.3.3　路由技術(shù)

與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)具有自身的特點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電路由協(xié)議時(shí)必須考慮到這些特點(diǎn)，比如次要用戶(hù)可利用的空閑頻段（信道）會(huì)隨著授權(quán)用戶(hù)的使用而動(dòng)態(tài)變化，并且每個(gè)次要用戶(hù)感知到的空閑信道可能是不同的，所以，路由的建立要和空閑信道的選擇緊密結(jié)合起來(lái)。另外與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，路由的失效主要不是由于用戶(hù)的移動(dòng)引起的，而是由于授權(quán)用戶(hù)使用某個(gè)信道，導(dǎo)致正在使用此信道通信的次要用戶(hù)需要迅速放棄此授權(quán)信道引起的，這就需要快速的路由恢復(fù)機(jī)制。因此，相比傳統(tǒng)自組網(wǎng)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計(jì)也更具有挑戰(zhàn)性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電路由技術(shù)的研究處于起步階段。

文獻(xiàn)[65]提出了一種基于樹(shù)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電路由協(xié)議，但是，該協(xié)議僅適用于單跳的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，如IEEE 802.11局域網(wǎng)，而不適用于多跳的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[66]在多跳的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)中[64]解決了這個(gè)問(wèn)題，提出了一種能適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電路由協(xié)議，仍然采用樹(shù)形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由根節(jié)點(diǎn)發(fā)起形成一棵覆蓋所有次要用戶(hù)的樹(shù)，根據(jù)頻譜樹(shù)建立路由，并考慮了每一跳中信道的選擇；文獻(xiàn)[67]考慮路由選擇和頻譜管理相互影響的路由協(xié)議，在業(yè)務(wù)量較大時(shí)，文獻(xiàn)[66～67]提出的兩種協(xié)議會(huì)導(dǎo)致端到端時(shí)延劇烈增加；文獻(xiàn)[68]提出了一種基于概率計(jì)算的路由協(xié)議，該方法的計(jì)算量隨著用戶(hù)數(shù)量的增加劇烈增加；文獻(xiàn)[69]研究涉及跨層和迭代計(jì)算的路由協(xié)議，該協(xié)議必須通過(guò)復(fù)雜的多次迭代計(jì)算才能得到優(yōu)化的路由。

與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的用戶(hù)使用固定的無(wú)線(xiàn)頻段（信道）不同，在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中，次要用戶(hù)使用的不是固定的無(wú)線(xiàn)信道，而是動(dòng)態(tài)變化的信道，是在特定的時(shí)間、特定的區(qū)域沒(méi)有被授權(quán)用戶(hù)使用的“空白”頻段（信道）。由于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有本質(zhì)的區(qū)別：網(wǎng)絡(luò)中的次要用戶(hù)感知到的“空白”頻段可能不同，而且隨授權(quán)用戶(hù)對(duì)頻譜的使用而發(fā)生變化；不同的“空白”頻段有不同的傳輸特性，影響拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)；次要用戶(hù)的可用頻段不斷變化會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟环€(wěn)定，對(duì)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，研究認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮上述問(wèn)題。