1.3　國內外研究現狀

由于認知無線電技術的特殊性，傳統無線網絡中的頻譜感知技術、接入技術[17～21]和路由技術[22～36]無法直接應用于認知無線電網絡，需要設計專門的協議。下面介紹國內外對認知無線電頻譜感知、接入和路由技術的研究現狀。

1.3.1　頻譜感知技術

在認知無線電系統中，當授權用戶未使用已授權的無線頻段時，次要用戶可以暫時使用該頻段，一旦授權用戶要使用該頻段，次要用戶必須立刻退出。次要用戶只有正確識別空閑的無線頻段，才能使用該頻段并避免對授權用戶產生干擾，因此，頻譜感知是次要用戶接入空閑頻段的前提。在感知過程中，如果采用單個用戶感知的方式，由于信道衰落、多徑效應等原因，很可能會出現感知錯誤。采用多用戶協作感知的方式，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協作感知信道的方法，不需要授權用戶與信道的先驗信息[8]。在缺乏先驗信息和噪聲不確定的情況下，GAO R等提出了一種協作感知方式，利用傅里葉變換的獨立性，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，通過此模型分析惡意用戶對協作感知結果的影響，并提出具有魯棒性的協作感知機制[10]。LI B等在分布式環境中研究信道感知問題，提出了一種貪婪頻譜感知算法，在均衡與獨立的信道條件下，該算法是最優的[12]。HAN W等綜合考慮信號調制方式、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，采用極化天線捕捉信號的能量和極化信息[11]。上述研究沒有利用系統中存在的智能終端對信道狀態進行感知。陳龍彪等提出采用智能手機等無線終端進行感知的思想[16]。在文獻[14]中，提出了將用戶分配到多信道感知的方案，但沒有考慮地形特點。為了在較大地域范圍內實現對頻譜的感知，SHIN D H等提出了一種將頻譜感知的任務眾包給移動終端用戶的方式，但該方法沒有考慮移動終端用戶的能耗[15]。

1.3.2　動態頻譜接入技術

在認知無線電網絡中，次要用戶需要對網絡中的授權信道進行感知，并發現其中的“空白”信道，將自身收發機的頻率調整到授權用戶未使用的空閑信道進行通信。但當授權用戶想使用這些頻段時，次要用戶必須撤出這些頻段，不能影響授權用戶的使用。因此，認知無線電網絡中次要用戶的頻譜接入屬于動態頻譜接入方式。

盡管認知無線電網絡的頻譜接入思想比較簡單，但要設計出行之有效的協議，要面臨很多挑戰[37～40]。在認知無線電網絡中，考慮到授權用戶不定期地使用授權信道，導致授權信道的狀態不斷發生變化，將給MAC（介質訪問控制）層的設計帶來很多難題。其中一個比較顯著的難點，同時也是重點就是競爭接入與信道分配，即次要用戶如何決定在什么時間接入哪一個授權信道通信，并且不會對授權用戶的通信產生干擾。尤其在沒有中心控制節點的分布式自組織網絡中，次要用戶之間是相互協作和競爭的關系，對這個問題的研究將更具有挑戰性。目前，認知無線電的動態頻譜接入研究受到人們越來越多的關注。

ZHAO Q等人將成熟的信號處理方法和網絡技術相結合，提出了基于分布式認知無線電網絡的動態頻譜接入技術[41～42]，盡管這個策略能夠充分利用無線頻譜資源，但是由于需要次要用戶配置大量傳感器以獲取信道的狀態，因此實現起來比較困難；XING Y P分成排隊和無排隊兩種情況，提出了將連續時間的馬爾可夫模型用于認知無線電網絡中的動態頻譜接入，并通過機會接入的方式實現頻譜共享的公平性[43]；HYOIL KIM等人對認知無線電網絡的動態頻譜接入技術的關鍵性進行了相關論述；SU H等人提出了基于周期的頻譜接入技術[45～47]，該技術需要次要用戶間的同步；HUNG S等人提出了基于信道優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”終端問題；文獻[49～53]分別討論了隨機頻譜接入的對等協作、一種多信道隨機自速率Ad Hoc網絡MAC層協議、認知無線電的功率量級、寬帶認知無線電系統的一些物理層問題、發送端存在旁路信息的混合信道等問題，從不同的側面論述了基于認知無線電的動態頻譜管理及終端、系統和網絡協同工作等。

RAMAN C等人提出了通過頻譜管理服務器來進行頻譜調度，從而實現最大傳輸率[54]，其信道分配基于圖論模型和線性規劃方法，在節點數量較少時能有效快速求解，但當節點數量較多時，所需時間急劇增加，導致該算法不能有效工作；THOPPIAN M等人研究了在一個多跳無線網絡中，任意節點的MAC層數據的調度方式[55]；MISHA DOHLER M提出了一種利用干擾的時變波動性的調度方式；ZHENG H等人提出了基于圖論染色模型的協作和公平性機會頻譜接入方案、認知用戶間的局部協作算法及基于禮儀規則的非協作式頻譜共享方案[57～58]。NEEL J等人將認知無線電網絡和博弈論聯系起來，研究了認知無線電網絡的收斂和優化問題[59～60]，重點關注當目標為網絡整體干擾最小時的算法設計和分析，其不足之處是局限于單個目標[61]。文獻[62]對頻譜感知在認知無電網絡的動態頻譜分配中的關鍵性進行了相關論述；文獻[63]論述了認知無線電網絡的自適應信道頻譜分配準則。

1.3.3　路由技術

與傳統無線網絡相比，認知無線電網絡具有自身的特點，因此，設計認知無線電路由協議時必須考慮到這些特點，比如次要用戶可利用的空閑頻段（信道）會隨著授權用戶的使用而動態變化，并且每個次要用戶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合起來。另外與傳統網絡不同，路由的失效主要不是由于用戶的移動引起的，而是由于授權用戶使用某個信道，導致正在使用此信道通信的次要用戶需要迅速放棄此授權信道引起的，這就需要快速的路由恢復機制。因此，相比傳統自組網路由協議的設計，認知無線電網絡的路由設計也更具有挑戰性。目前，國內外對認知無線電路由技術的研究處于起步階段。

文獻[65]提出了一種基于樹的認知無線電路由協議，但是，該協議僅適用于單跳的無線網絡，如IEEE 802.11局域網，而不適用于多跳的無線網絡；文獻[66]在多跳的認知Mesh網絡中[64]解決了這個問題，提出了一種能適用于多跳無線網絡的認知無線電路由協議，仍然采用樹形的拓撲結構，由根節點發起形成一棵覆蓋所有次要用戶的樹，根據頻譜樹建立路由，并考慮了每一跳中信道的選擇；文獻[67]考慮路由選擇和頻譜管理相互影響的路由協議，在業務量較大時，文獻[66～67]提出的兩種協議會導致端到端時延劇烈增加；文獻[68]提出了一種基于概率計算的路由協議，該方法的計算量隨著用戶數量的增加劇烈增加；文獻[69]研究涉及跨層和迭代計算的路由協議，該協議必須通過復雜的多次迭代計算才能得到優化的路由。

與傳統無線網絡中的用戶使用固定的無線頻段（信道）不同，在認知無線電網絡中，次要用戶使用的不是固定的無線信道，而是動態變化的信道，是在特定的時間、特定的區域沒有被授權用戶使用的“空白”頻段（信道）。由于認知無線電網絡自身的特點，與傳統無線網絡有本質的區別：網絡中的次要用戶感知到的“空白”頻段可能不同，而且隨授權用戶對頻譜的使用而發生變化；不同的“空白”頻段有不同的傳輸特性，影響拓撲結構和上層網絡協議的設計；次要用戶的可用頻段不斷變化會造成網絡拓撲的不穩定，對路由協議的設計提出了新的挑戰。因此，研究認知無線網絡時必須考慮上述問題。