1.3　国内外研究现状

由于认知无线电技术的特殊性，传统无线网络中的频谱感知技术、接入技术[17～21]和路由技术[22～36]无法直接应用于认知无线电网络，需要设计专门的协议。下面介绍国内外对认知无线电频谱感知、接入和路由技术的研究现状。

1.3.1　频谱感知技术

在认知无线电系统中，当授权用户未使用已授权的无线频段时，次要用户可以暂时使用该频段，一旦授权用户要使用该频段，次要用户必须立刻退出。次要用户只有正确识别空闲的无线频段，才能使用该频段并避免对授权用户产生干扰，因此，频谱感知是次要用户接入空闲频段的前提。在感知过程中，如果采用单个用户感知的方式，由于信道衰落、多径效应等原因，很可能会出现感知错误。采用多用户协作感知的方式，能够提高频谱感知的正确率。

在频谱感知方面，ZHU X等提出了一种多用户协作感知信道的方法，不需要授权用户与信道的先验信息[8]。在缺乏先验信息和噪声不确定的情况下，GAO R等提出了一种协作感知方式，利用傅里叶变换的独立性，获取能量频谱密度的特性[9]。DING G等提出了一种具有普适性的模型，通过此模型分析恶意用户对协作感知结果的影响，并提出具有鲁棒性的协作感知机制[10]。LI B等在分布式环境中研究信道感知问题，提出了一种贪婪频谱感知算法，在均衡与独立的信道条件下，该算法是最优的[12]。HAN W等综合考虑信号调制方式、多径衰落及抽样速率，提出了两种有效的频谱感知算法并分析了各自的性能[13]。GUO C等研究了感知频谱的方式，采用极化天线捕捉信号的能量和极化信息[11]。上述研究没有利用系统中存在的智能终端对信道状态进行感知。陈龙彪等提出采用智能手机等无线终端进行感知的思想[16]。在文献[14]中，提出了将用户分配到多信道感知的方案，但没有考虑地形特点。为了在较大地域范围内实现对频谱的感知，SHIN D H等提出了一种将频谱感知的任务众包给移动终端用户的方式，但该方法没有考虑移动终端用户的能耗[15]。

1.3.2　动态频谱接入技术

在认知无线电网络中，次要用户需要对网络中的授权信道进行感知，并发现其中的“空白”信道，将自身收发机的频率调整到授权用户未使用的空闲信道进行通信。但当授权用户想使用这些频段时，次要用户必须撤出这些频段，不能影响授权用户的使用。因此，认知无线电网络中次要用户的频谱接入属于动态频谱接入方式。

尽管认知无线电网络的频谱接入思想比较简单，但要设计出行之有效的协议，要面临很多挑战[37～40]。在认知无线电网络中，考虑到授权用户不定期地使用授权信道，导致授权信道的状态不断发生变化，将给MAC（介质访问控制）层的设计带来很多难题。其中一个比较显著的难点，同时也是重点就是竞争接入与信道分配，即次要用户如何决定在什么时间接入哪一个授权信道通信，并且不会对授权用户的通信产生干扰。尤其在没有中心控制节点的分布式自组织网络中，次要用户之间是相互协作和竞争的关系，对这个问题的研究将更具有挑战性。目前，认知无线电的动态频谱接入研究受到人们越来越多的关注。

ZHAO Q等人将成熟的信号处理方法和网络技术相结合，提出了基于分布式认知无线电网络的动态频谱接入技术[41～42]，尽管这个策略能够充分利用无线频谱资源，但是由于需要次要用户配置大量传感器以获取信道的状态，因此实现起来比较困难；XING Y P分成排队和无排队两种情况，提出了将连续时间的马尔可夫模型用于认知无线电网络中的动态频谱接入，并通过机会接入的方式实现频谱共享的公平性[43]；HYOIL KIM等人对认知无线电网络的动态频谱接入技术的关键性进行了相关论述；SU H等人提出了基于周期的频谱接入技术[45～47]，该技术需要次要用户间的同步；HUNG S等人提出了基于信道优化选择的频谱接入算法[48]，但不能有效解决“隐藏”终端和“暴露”终端问题；文献[49～53]分别讨论了随机频谱接入的对等协作、一种多信道随机自速率Ad Hoc网络MAC层协议、认知无线电的功率量级、宽带认知无线电系统的一些物理层问题、发送端存在旁路信息的混合信道等问题，从不同的侧面论述了基于认知无线电的动态频谱管理及终端、系统和网络协同工作等。

RAMAN C等人提出了通过频谱管理服务器来进行频谱调度，从而实现最大传输率[54]，其信道分配基于图论模型和线性规划方法，在节点数量较少时能有效快速求解，但当节点数量较多时，所需时间急剧增加，导致该算法不能有效工作；THOPPIAN M等人研究了在一个多跳无线网络中，任意节点的MAC层数据的调度方式[55]；MISHA DOHLER M提出了一种利用干扰的时变波动性的调度方式；ZHENG H等人提出了基于图论染色模型的协作和公平性机会频谱接入方案、认知用户间的局部协作算法及基于礼仪规则的非协作式频谱共享方案[57～58]。NEEL J等人将认知无线电网络和博弈论联系起来，研究了认知无线电网络的收敛和优化问题[59～60]，重点关注当目标为网络整体干扰最小时的算法设计和分析，其不足之处是局限于单个目标[61]。文献[62]对频谱感知在认知无电网络的动态频谱分配中的关键性进行了相关论述；文献[63]论述了认知无线电网络的自适应信道频谱分配准则。

1.3.3　路由技术

与传统无线网络相比，认知无线电网络具有自身的特点，因此，设计认知无线电路由协议时必须考虑到这些特点，比如次要用户可利用的空闲频段（信道）会随着授权用户的使用而动态变化，并且每个次要用户感知到的空闲信道可能是不同的，所以，路由的建立要和空闲信道的选择紧密结合起来。另外与传统网络不同，路由的失效主要不是由于用户的移动引起的，而是由于授权用户使用某个信道，导致正在使用此信道通信的次要用户需要迅速放弃此授权信道引起的，这就需要快速的路由恢复机制。因此，相比传统自组网路由协议的设计，认知无线电网络的路由设计也更具有挑战性。目前，国内外对认知无线电路由技术的研究处于起步阶段。

文献[65]提出了一种基于树的认知无线电路由协议，但是，该协议仅适用于单跳的无线网络，如IEEE 802.11局域网，而不适用于多跳的无线网络；文献[66]在多跳的认知Mesh网络中[64]解决了这个问题，提出了一种能适用于多跳无线网络的认知无线电路由协议，仍然采用树形的拓扑结构，由根节点发起形成一棵覆盖所有次要用户的树，根据频谱树建立路由，并考虑了每一跳中信道的选择；文献[67]考虑路由选择和频谱管理相互影响的路由协议，在业务量较大时，文献[66～67]提出的两种协议会导致端到端时延剧烈增加；文献[68]提出了一种基于概率计算的路由协议，该方法的计算量随着用户数量的增加剧烈增加；文献[69]研究涉及跨层和迭代计算的路由协议，该协议必须通过复杂的多次迭代计算才能得到优化的路由。

与传统无线网络中的用户使用固定的无线频段（信道）不同，在认知无线电网络中，次要用户使用的不是固定的无线信道，而是动态变化的信道，是在特定的时间、特定的区域没有被授权用户使用的“空白”频段（信道）。由于认知无线电网络自身的特点，与传统无线网络有本质的区别：网络中的次要用户感知到的“空白”频段可能不同，而且随授权用户对频谱的使用而发生变化；不同的“空白”频段有不同的传输特性，影响拓扑结构和上层网络协议的设计；次要用户的可用频段不断变化会造成网络拓扑的不稳定，对路由协议的设计提出了新的挑战。因此，研究认知无线网络时必须考虑上述问题。