王 群， 侯晓赟﹡﹡， 王东明

（①南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；②东南大学 移动通信国家重点实验室，江苏 南京 210096）

0 引言

随着无线电及其通信技术的飞速发展，有限的频谱资源变得越发紧缺。但另一方面，据有关部门研究表明，当前已被分配的绝大部分频谱资源利用率较低，造成了大量宝贵频谱资源的浪费。因此，频谱利用率低下成了阻碍无线通信发展的一个重要因素。为解决频谱资源的有效利用问题，认知无线电（CR，Cognitive Radio）已成为目前无线通信领域的一大研究热点[1]，从而极大地缓解了频谱资源紧张的现状。

认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，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变化，以达到任何时间、任何地点都高度可靠通信并有效利用频谱资源的目的[2]。在认知无线电中，认知用户也称为次用户(SU，Secondary User)，只有在主用户(PU，Primary User)空闲的情况下，才能暂时地使用未被主用户使用的频段。因此，为了能够在保障主用户通信质量的同时满足次用户的通信需求，频谱退让技术在认知无线电中扮演着非常重要的角色[3]。但是，目前有关认知无线电中频谱退让技术的研究尚未深入，这也正说明了对该项技术进行研究的重要性和必要性。

1 频谱退让的概念

在 CR网络中，主用户的优先级权限高于次用户，为了能够首先保障主用户的通信质量，当主用户有新的传输业务而出现在其授权频段时，次用户必须尽快腾空该频段，但为了兼顾次用户业务的连续性，它需要避让到其他空闲频段继续进行通信；此外，若次用户所占用频段的通信链路质量变差不能满足其当前业务需求时，次用户也希望退让出当前信道并迁移到其它更适合的空闲频段上继续传输，这就是频谱退让[4]（也称作频谱切换）。

图1所示为频谱退让的流程图，频谱退让过程是一个循环反复的过程，它主要包括两个阶段：频谱感知阶段和链路修复阶段[5]。在频谱感知阶段，次用户观测周围环境，分析是否有退让触发事件发生，一旦次用户决定执行退让程序，就自然地过渡到链路修复阶段。在链路修复阶段，次用户空出占用的信道，然后接入其它可用空闲信道以恢复传输链路。根据次用户退让到目标空闲信道的时间不同，频谱退让可以分为主动频谱退让和被动频谱退让[6]。在主动频谱退让中，次用户预测主用户出现的时间，在主用户到达之前就退让到目标信道；在被动频谱退让中，次用户只有在主用户出现后才会执行退让程序。一旦传输链路恢复，系统又会重新进入到感知阶段，进行下一个循环周期。

图1 频谱退让流程[5]

2 频谱退让的策略

通常，退让目标信道的选择可以在退让事件触发之前或之后，根据目标信道选择方法的不同，现有的频谱退让策略大致可以分为两类[7]：

（1）主动频谱退让策略[8]，是指次用户在业务传输的同时，不断地对周围信道状况进行感知，将检测到的所有空闲信道汇集成一个备用信道列表（BCL，Backup Channel List），在退让事件触发前或后，直接从当前信道退出切换到备用信道列表中的空闲信道上去，如图2所示。

图2 主动频谱退让策略示意[10]

（2）被动频谱退让策略[9]，是指次用户只有在退让事件触发后，才会暂停当前业务，对周围的信道状况进行实时感知，根据即时感知的结果，将其作为目标信道进行退让，如图3所示。

图3 被动频谱退让策略示意[10]

就以上两种策略而言，前者在很大程度上缩短了频谱退让的时延，保证了业务的连续性，但需考虑所选备用信道的可用性[11]。后者虽然增加了感知时延，但与前者相比所选的目标信道准确度较高。因此，在退让策略选择时，应该结合自身业务需求和信道状况来综合考虑。

3 目标信道选择算法

无论采用哪种频谱退让策略，所选目标信道的好坏都将会对频谱退让的性能产生直接影响。目标信道的选择，最常用的做法是借助BCL，当需要执行退让时，直接从 BCL中选取目标信道。IEEE 802.22无线区域网络(WRAN，Wireless Regional Area Network)标准正是采用了这种方法[12]。

基于此，针对主动频谱退让策略，文献[13]提出了一种使次用户业务传输总时间最短的贪婪目标信道选择算法。文献[14]提出一种基于信道空闲概率排序的频谱切换算法，从而有效降低了频谱退让延时。但是，如果有多个次用户在同一时间执行退让程序，以上算法都将会造成次用户之间的碰撞，文献[15]综合考虑了各次用户的业务量，分散各个信道的负载量，以避免多个次用户竞争同一个信道。然而，它们在进行目标信道选择时，均以优化部分性能参数指标后的结果作为参考依据 ，并没有综合考虑各方面性能指标参数。文献[16]提出了一种基于多属性判决的两级选择机制，即首先在该候选集中通过对有利因素进行加权排序，取前N个信道形成二级候选集，然后在二级候选集中依据不利因素加权，最小值所对应的信道作为目标退让信道，从而选择综合性能高的目标信道。因此，选择目标信道时，需要结合具体业务需求，综合衡量各项性能指标的权重，有针对性的对关键性能参数进行最优化，寻找最优目标信道，以提高系统整体性能。

4 结语

频谱退让技术是认知无线电中极其重要的一项技术，能够在保障主用户通信质量的前提下，满足次用户的通信需求。但是，与认知无线电中的其它技术（如频谱感知技术[17-18]等）相比，目前有关频谱退让技术的研究尚浅。可以考虑从以下几个方面对频谱退让技术展开研究：①优化目标信道选择算法，并结合信道模型来研究退让过程中的性能参数；②针对主动频谱退让策略和被动频谱退让策略各自的特点，考虑在退让过程中，加入各种动态学习方法，使次用户可以自适应的选择当时最适合的策略。

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