مقاله تخصیص طیف در شبکه های رادیو شناختگر

بخشی از مقاله

تخصیص طیف در شبکه هاي رادیو شناختگر

چکیده

رادیو شناختگر جهت استفاده از قسمت بیکار طیف به روشی فرصت طلبانه ظهور پیدا کرد.روش اختصاص طیف ثابت که توسط نهادهاي دولتی مورد استفاده قرار می گیرد موجب به وجود آمدن قسمتهاي استفاده نشده اي در طیف به نام ”چاله هاي طیف“ یا “فضاي سفید ” می گردد.رادیو شناختگر بر این مشکل غلبه کرده و آن را حل می کند.بدین شکل که به ابزار و وسایل ارتباطی این امکان را می دهد که با حس کردن طیف، بخش خالی یا بیکار طیف را یافته ، سپس جهت انتخاب بهترین قسمت آن براساس یک سري ضوابط از پیش تعیین شده اقدام نماید.اختصاص طیف یک مکانیزم کلیدي جهت محدود کردن و پیشگیري از تداخل وسایل رادیو شناختگر با کاربران اصلی می باشد.تداخل یک فاکتور اساسی و مهم می باشد که عملکرد شبکه هاي بیسیم را بسیار محدود می کند.هدف از این مقاله،بیان به روزترین روشها در نشریات مختلف و آنالیز ضوابط مربوط به انتخاب بهترین بخش طیف در رادیوهاي شناختگر می باشد.در پایان یک بررسی از روشهاي ارائه شده صورت گرفته است و مسائلی که جهت تحقیقات آینده در این زمینه جاي کار بیشتر دارند عنوان گردیده است.
-1مقدمه

در طول چند سال اخیر عوامل و محرکهاي اقتصادي و تکنولوژیکی اي به وجود آمده اند که به نظر می رسد آینده شبکه هاي بیسیم را تغییر دهند.استفاده از شبکه هاي بیسیم در طول دهه ي گذشته افزایش چشمگیري داشته و زندگی بدون این وسایل (نظیر موبایل،1PDA، گوشی هاي هوشمندو...)به نظر غیر ممکن می آید.نیاز به جابه جایی و اتصال بیسیم طیف گسترده اي از استراتژي ها را در شبکه هاي بیسیم چه در مقیاس محلی و چه در مقیاس شهري موجب گردیده است.طیف رادیویی یک منبع طبیعی می باشد که توسط دولتها یا نهادهاي بین المللی مدیریت گردیده و به مالکین پروانه استفاده از طیف بر اساس یک مبناي قدیمی که سیاست استفاده ثابت از طیف می باشد اختصاص می یابد. اندازه گیري ها نشان می دهد که در این روش استفاده از طیف بخشی عمده اي از طیف بی استفاده می ماند. و در نهایت موجب به هدر رفت منبع ارزشمند طیف می گردد.
جهت استفاده بهینه از طیف تکنولوژي رادیو شناختگر توسط J.Mtola ارائه گردید .[6] [5]رادیو شناختگر ، بر اساس مفهوم (2SDR) به معناي امواج ساخته شده توسط نرم افزار که جهت رها کردن شبکه هاي رادیویی از وابستگی به مشخصه هاي سخت افزاري مانند باندهاي فرکانسی ،کدینگ کانال و پهناي باند ، ارائه گردید توسعه یافته است.رادیو هاي نرم افزاري قابلیت برنامه نویسی را به ابزار رادیویی اضافه نمودند.در نتیجه قابلیت عملکرد در باندهاي فرکانسی متفاوت و با مدولاسیونهاي متفاوت را به آنها افزود.یک فرستنده /گیرنده SDR قادر است تا پارامترهاي ارتباطی خود را با مشخصات رادیویی محیط که دائما در حال تغییر است تغییر دهد.این قابلیت به کاربر این امکان را می دهد تا به تمام قسمتهاي طیف و نه تنها یک بخش از آن دسترسی داشته باشد.(برخلاف سیستم هاي امروزي مانند 3G,802.11,GSMو....) تکنولوژي رادیو شناختگر استفاده مجدد از منابع طیف موجود را ممکن می سازد.فاکتور اساسی که استفاده مجدد از طیف را محدود می کند پدیده تداخل می باشد که به دلیل نویزهاي طبیعی یا منابع دیگر ارسال کننده رادیویی به وجود می آید.کنترل تداخل در شبکه هاي بیسیم جهت رسیدن به عملکرد حداکثري بسیار ضروري می باشد.چرا که تداخل مستقیما بر قابلیت دریافت کاربران موثر است.در واقع تداخل یک فاکتور اساسی می باشد که می تواند منجر به کاهش ظرفیت و عملکرد گردد،زیرا می تواند نرخ ارسال وسایل بیسیم را کاهش ،نرخ از دست دادن فریم را افزایش و عملکرد منابع بیسیم را کاهش دهد.همچنین تداخل می تواند ناشی از لینکهاي یک شبکه یا از منابع خارجی باشد.اختصاص کانال یکی از مکانیزم هاي پایه در کنترل تداخل شبکه هاي بیسیم می باشد.اختصاص کانال در شبکه هاي بیسیم در جهت تخصیص کانال به وسایل بیسیم در راستاي رسیدن به مطلوبترین شکل استفاده از فرکانس و حداقل کردن تداخل ناشی از عملکرد کاربران در یک شبکه می باشد.اختصاص کانال بر محدودیتهاي بین لینکهاي شبکه و توپولوژي شبکه و یا قابلیت اتصال گره ها در یک شبکه موثر است.یک رابطه یک به یک میان حداقل کردن محدودیتها و حد اکثر شدن قابلیت اتصال وجود دارد.علاوه بر این اختصاص کانال نحوه تداخل بین کانال هاي همجوار را تعیین می نماید.و چنین تداخلی نه نتها در 802.11 b/g بلکه در802.11a نیز هنگامی که فاصله گره ها کم است وجود دارد.[4] [3]

اختصاص کانال یک مکانیزم اصلی می باشد که هدف آن پیشگیري از کاهش عملکرد یک شبکه بیسیم به دلیل تداخل می باشد.در شبکه هاي بیسیِم حلقه اي که در حقیقت شبکه هاي (multi-hop) با گره هاي ثابت می باشند تداخل بین گره ها موجب کاهش شدید عملکرد می شود.که نیاز به اختصاص کانال کارا براي پیشگیري از این مشکل می باشد.در رادیو هاي شناختگر به دلیل قابلیت کاربران در دسترسی به هر بخش از طیف، نه تنها به خاطر دیگر کاربران (رادیو شناختگر یا به اختصار (3CRبلکه بخاطر کاربرانی که مجوزقانونی استفاده از طیف را دارند ممکن است تداخل پیش بیاید.
به همین جهت و بخاطر جلو گیري از این تداخل مسئله اختصاص طیف کارا براي شبکه هاي رادیو شناختگر به عنوان یـک زمینـه اساسی جهت تحقیق بیان می شود.اختصاص طیف در رادیو هاي شناختگر عبارت است از انتخاب همزمان فرکانس مرکزي و پهناي باند،این امر کاملا با فرایند تخصیص کانال که در شبکه هاي بیسسیم قـدیمی تـر موجوداسـت و عبـارت اسـت از مجموعـه اي از فرکانس هاي مرکزي مشخص به همراه پهناي باند و انتخاب یکی از آنها متفاوت است.انتخاب همزمان فرکـانس مرکـزي و پهنـاي باند در تخصیص طیف رادیو هاي شناختگر مسئله را تا حدي پیچیده می کند.اینکه تا کنون اختصاص طیف شـناختگر بـه جـایی شبیه به اختصاص کانال رسیده که تمرکز اصلی آن بر انتخاب کانال با پهناي مشـخص از میـان خیـل عظیمـی از کانـال هـاي در دسترس است زیاد کار ارزشمندي نمی باشد.اگرچه این مسئله با مفهوم شناختگر بودن در تضاد است اما مسئله تخصیص طیف را بسیار ساده و به طور وسیعی کار بردي می کند.این مقاله بر تخصـیص طیـف در رادیوهـاي شـناختگر تاکیـد دارد.وخلاصـه اي از مشکلات اختصاص طیف را ارائه می کند و روشهاي اساسی براي شبیه سازي تخصیص طیف بیان می گردد.

-2 شبکه هاي رادیو شناختگر

طیف بیسیم محدود بوده و اختصاص ثابت طیف که توسط نهادهاي دولتی صورت می گیرد موجب هدر رفت این منبع ارزشمند می گردد.موضوع ارائه شده توسط رادیو هاي شناختگر استفاده فرصت طلبانه از باندهاي فرکانسی می باشد.رادیو شناختگر نوعی سیستم یا رادیو می باشد که قابلیت درك محیط و تنظیم پارامترهاي رادیویی خود را به صورت پویا و مستقل جهت اصلاح عملکرد سیستم دارد.اتحادیه انجمن مخابرات1 در سال 2003 تعریف زیر را براي رادیو هاي شناختگر ارائه کرد.

”یک رادیو شناختگر نوعی از رادیو می باشد که می تواند مشخصه هاي رادیویی خود را بر اساس تعامل با محیطی که در آن عمل می کند تغییر دهد.این تعامل می تواند ارتباط اکتیو با دیگر استفاده کننده ها از طیف یا/و بررسی خنثی و تصمیم گیري باشد.بخش عمده اي از رادیو هاي شناختگر احتمالاً SDR خواهند بود.اما نه نرم افزار و نه قابلیت برنامه نویسی براي رادیو شناختگر ضروري می باشد.“لفظ ”رادیو شناختگر ” بسیار کلی می باشد و نباید به SDR محدود گردد.اما به هر حال SDR ها به طور گسترده اي در رادیو شناختگر کاربرد دارند.ودر حال حاضر به عنوان تنها راه حل برا رادیو هاي شناختگر شناخته می شوند.انگیزه هاي بسیاري براي استفاده از رادیو هاي شناختگر وجود دارد که شامل استفاده کارا از طیف،حداکثر کردن توان عملیاتی،کاهش تداخل،دسترسی به بازار ثانویه و ... می باشد.با استفاده از این مزایا تکنولوژي رادیو شناختگر فرصتهاي جدیدي در بررسی ،دسترسی و استفاده از منابع بیسیم ایجا نموده است.که نگاه کنونی به مخابرات رادیویی را تغییر می دهد.

در رادیو شناختگر لغات ”کاربر اولیه(2PU)“ و ”کاربر ثانویه(3SU)“ مورد استفاده قرار می گیرند.کاربران اولیه کاربرانی هستند که مجوز قانونی استفاده از طیف را در مدت طولانی دارا هستند.در حالی که کاربران ثانویه هیچ مجوزي براي دسترسی به طیف ندارند و به کمک تکنولوژي رادیو شناختگر به طور موقت و با یک رفتار فرصت طلبانه به طیف دسترسی پیدا می کنند. آنچه که یک وسیله رادیویی با جستجوي طیف در یک محل خاص خواهد یافت عبارت است از:
 باندهایی که اکثر اوقات مورد استفاده نیستند.
 باندهایی که بعضی اوقات تقریبا مورد استفاده هستند.
 باندهایی که اکثر اوقات شدیدا مورد استفاده هستند.

به بخش بیکار طیف لغت ”چاله طیف“ اطلاق می گردد.که عبارت است از باند فرکانسی که به یک کاربر مجوز دار اختصاص یافته اما در یک زمان خاص یا مکان خاص مورد استفاده نیست.

تا کنون استانداردهاي متفاوتی توسط ارگانهاي مختلف براي رادیو شناختگر ارائه شده است.IEEE 802.22 اولین استاندارد پیشنهادي براي شبکه هاي بیسیم بود که بر پایه تکنیک رادیو شناختگر ارائه گردید.هدف از این استاندار استفاده از باند فرکانسی تلویزیون به روشی فرصت طلبانه وعدم ایجاد تداخل براي کاربران مجوز دار است. IEEE 802.22 براي نقاط دوردست جهت رسیدن به عملکردي قابل قیاس با تکنولوژي هاي باند پهنِ ثابت نظیر DSL ومودم هاي کابلی هدف گذاري گردیده است.انتخاب باند تلویزیون به این خاطر بوده است این باند داراي خصایص بسیار خوبی میباشد که به کاربران دوردست امکان سرویس دهی کارآمد را می دهد.

IEEE 802.22 یک سیستم مرکز گرا می باشد که در آن یک ایستگاه پایه مرکزي وجود دارد که یک سلول و تجهیزات کاربران مربوط به آن سلول را کنترل می نماید. در سال 2005 انجمن مخابرات IEEE و انجمن الکترومغناطیس IEEE مشترکا کمیسیون استانداردهاي IEEE1900 را تاسیس نمودند.که مسائل کلیدي در زمینه مدیریت طیف ،سیستم هاي رادیو شناختگر و سیاست تعریف سیستم هاي رادیویی را استاندارد سازي نمودند.

سرویس بیسیم توسط رادیو شناختگر در باند سفید تلویزیون زمینه ساز اصلاحات بسیاري در استانداردهاي IEEE نظیر IEEE802.19 گردید.به علاوه انستیتو استاندادردهاي اروپا (ETSI)چندین استاندارد براي سیستمهاي رادیویی با قابلیت تطبیق مجدد پارامتر (1RRS)ارائه نمود.که براساس SDR،و رادیو شناختگر می باشد.نهایًتا انجمن سازندگان کامپیوتر (ECMA)استانداردي به نام ECMAA-392 با عنوان MAC” و PHY براي کار در باند سفید تلویزیون ” که لایه هاي MAC و PHY را براي استفاده شبکه هاي بیسیم شناختگر در باند تلویزیون اختصاص می داد پیشنهاد نمود .این استاندارد اپلیکیشنهاي محلی در خانه ها ،ساختمانها و همسایگی ها را مورد هدف قرار می دهد.

الف.معماري شبکه هاي رادیو شناختگر

یک شبکه رادیو شناختگر (CRN) اساسا مشتمل بر شبکه اولیه (2PN) و شبکه ثانویه (3SN) می باشد.در شکل 1 نوعی از معماري CRN به نمایش در آمده است.شبکه هاي اولیه عبارتند از شبکه هاي بیسیم موجود مانند:GSM،UMTS ،پخش تلویزیون و..... که باند فرکانسی خاصی به آنها اختصاص داده شده است.این شبکه ها داراي ایستگاه هاي پایه اصلی و کاربران اولیه می باشند.ایستگاه پایه اصلی در بخش زیر ساخت شبکه هاي بیسیم استفاده می شوند.و یک طیف را جهت ارتباط با PU ها به دست می گیرند.به طور کلی ایستگاه هاي پایه اصلی نقشی در به اشتراك گذاري طیف با کاربران ثانویه ندارند.

شبکه ثانویه یک شبکه شناختگر است که اجزا آن هیچ مجوزي جهت دسترسی به باندهاي فرکانسی ندارند.شبکه هاي ثانویه به دو نوع شبکه هاي زیر ساختی وشبکه هاي اد-هاك((AD-hoc که به ترتیب توسط اپراتورهاي شبکه و کاربران به تنهایی کنترل می شوند،تقسیم می شود.در حالت زیر ساخت ،ایستگاه هاي پایه ثانویه یک ارتباط تک فرکانس را با کاربران ثانویه برقرار می کنند.که قابلیت یافتن چاه هاي طیف و عمل در بهترین طیف را با درنظر گرفتن عدم تداخل با کاربران اولیه دارد.یک نمونه از معماري CRN شبکه IEEE8802.22 می باشد.کاربران ثانویه به ابزار رادیو شناختگر مجهز می باشند که به صورت پویا به طیف دسترسی دارند و هنگام تشخیص برقراري ارتباط توسط کاربران اولیه طیف فرکانسی مورد استفاده را تغییر می دهند.کاربران ثانویه یا به ایستگاه پایه ثانویه و یا به سایر کاربران ثانویه به شکل یک شبکه اد-هاك متصل می باشند.سرور طیف(واسطه طیف)جهت هماهنگی استفاده از طیف میان شبکه هاي ثانویه مختلف می تواند استفاده شود.

نوع دیگري از کاربران شبکه هاي شناختگر احتمالا در آینده به وجود خواهند آمد که براساس تحقیقات ما تا کنون در هیچ مقاله اي به آنها اشاره نشده است.این دسته از کاربران کاربران اولیه اي هستند که به ابزار شناختگر نیز مجهز هستند.بنابراین می توان آنها را به عنوان دو رگه هایی در حدفاصل کاربران اولیه و ثانویه قرار داد.به عنوان مثال می توان به لپ تاپ هاي اشاره کرد که داراي فناوري 3G بوده (بنابراین کاربر اولیه 3G هستند)و در عین حال مجهز به ابزار ارتباطی رادیو شناختگر می باشند.که در شکل 1 دیده می شود.این کاربران نه تنها به شبکه هاي اولیه بلکه به شبکه هاي ثانویه(حتی به صورت همزمان، چرا که این ارتباطات توسط وسایل جداگانه صورت می گیرد)دسترسی دارند،که موجب حداکثر شدن عملکرد آنها و بنابراین کیفیت دریافت (1QoS) حداکثري می گردد.فایده کاربران دورگه در اولویت در دسترسی به شبکه هاي اولیه است.چرا که آنها کاربران اولیه اي هستند که می توانند از طیفهاي فعال در سایر باندها استفاده کنند.

شکل(:(1توپولوژي یک CRN واقع شده برروي شبکه هاي اولیه
ب.عملکرد شناختی

رادیو هاي شناختگر قابلیت تعامل با محیط ،تطبیق با تغییرات و انتخاب بهترین پارامتر هاي مخابراتی در هر زمان را دارند.براي فعال نمودن تطبیق پویاي این پارامترها ،چندین تابع شناختگر (که به عنوان ”چرخه هاي شناختگر ” به آنها اشاره می شود)جهت مدیریت طیف پیشنهاد گردیده است..[31][2][1]

حس کردن طیف اساسی ترین وظیفه تجهیزات رادیو شناختگر می باشد.که با مانیتور کردن باندهاي طیف در هر زمان چاله هاي طیف موجود را تشخیص می دهند.حس کردن طیف بسیار به مرحله آنالیز طیف،که مشخصه هاي طیفی که در مرحله حس کردن انتخاب شده است را مشخص می کند، نزدیک می باشد.پس از یافتن و آنالیز طیف، مرحله انتخاب طیف(تخصیص طیف) بهترین طیف ممکن را براساس برخی ضوابط تعیین می کند.در شبکه هاي شناختگر کاربران ثانویه قادر به دسترسی به طیفهاي در دسترس هستند.اما هنگامی که طیف فرکانسی مختص به آنها بر روي هم می افتد ،این امر موجب تداخل می گردد.که عملکرد شبکه را تنزل می دهد.تقسیم فرکانس نام فرایندي است که به جهت کاهش تداخل میان کاربران ،استفاده از طیف را هماهنگ می کند.

پس از انتخاب بهترین فرکانس، مخابره می تواند آغاز گردد.اما به خاطر پویایی شدید محیط سیار، باند انتخاب شده ممکن است توسط یک PU اشغال گردد.یک مشخصه مهم رادیو شناختگر امکان تغییر باند عملیاتی هنگامی است که ارسال توسط کاربر اولیه تشخیص داده شود.این امکان که به آن ”متحرك بودن طیف“ گفته می شود Handover میان باندهاي طیف را جهت پیشگیري از تداخل با کاربران اولیه ویا دسترسی به چاله ي طیفی که QoS بهتري را تامین می کند، ممکن می سازد.

-3اختصاص طیف در رادیو هاي شناختگر

الف.تعریف مسئله

جهت حداکثر کردن عملکرد یک شبکه ي رادیو شناختگر یکی از چالش هاي اساسی کاهش تداخل براي کاربران اولیه و تداخل میان کاربران ثانویه می باشد.تداخل موجب افزایش نویز و کاهش نسبت سیگنال به نویز+تداخل((1SINR می گردد.که موجب:کاهش نرخ ارسال وسایل بیسیم،کاهش استفاده مفید از منابع طیف ،از دست دادن فریم هاي بیشتر،تاخیر بیشتر در ارسال پاکتها و کاهش توان دریافتی می گردد.تداخل هم فرستنده و هم گیرنده را تحت تاثیر قرار می دهد .فرستنده با نرخی کمتر باید ارسال کند،و امکان عدم دریافت موفق در گیرنده افزایش می یابد.

تداخلی که ارتباط CR ایجاد می کند نقش مهمی در عملکرد نه تنها CRN ها بلکه PN هایی که در یک محدوده جغرافیایی قرار دارند، دارد.بنابراین یکی از نیازهاي اساسی تکنولوژي رادیو شناختگر این است که SU ها نباید با PU ها تداخل داشته باشند.این ضرورت مسئله مدیریت CRN ها را نسبت به شبکه هاي سنتی بسیار پیچیده تر می کند.زیرا سطح دیگري در پیشگیري از تداخل را معرفی می کند. SU ها نه تنها باید با یکدیگر تداخل نداشته باشند بلکه باید با PU ها نیز که از اولویت بالاتري در دسترسی به طیف برخوردارند تداخل نداشته باشند.

تخصیص طیف یک رویه اساسی در شبکه هاي رادیو شناختگر می باشد.چرا که عملکرد معمولی شبکه را تحت تاثیر قرار می هد.و رابطه تنگاتنگی با مرحله حس کردن طیف که درآن اطلاعات مربوط به طیف هاي فعال جمع آوري می شود دارد. 2SA وظیفه تخصیص بهترین باند فرکانسی به کاربران رادیو شناختگر بر اساس یک سري از معیار ها را دارد.(مانند:حداکثر کردن توان عملیاتی،قابلیت اعتماد،بهره وري طیف و...)و همزمان می بایست مانع از تداخل با عملکرد شبکه هاي اولیه گردد.

چاله هاي طیفی که در مرحله حس کردن طیف پیدا می شوند به عنوان ورودي هاي SA می باشند تابهترین قسمت طیف که SU باید براساس نیازش استفاده کند تعیین شود.
تخصیص طیف شناختگر چالش هایی دارد که آن را از 1CA معمولی متمایز می کند.در شبکه ها بیسیم معمولی ،طیف به کانال هایی که فرکانس مرکزي ثابت و پهناي باند ثابت دارند تقسیم می شود.بنابراین CA به معنی فرایند اختصاص یک کانال (به مفهوم فرکانس مرکزي)به هر کاربر می باشد.اما در CR هیچ تعریفی براي کانال وجود ندارد.

SU ها می توانند به صورت پویا فرکانس مرکزي و پهناي باندشان را براي هر ارتباط تغییر دهند.در نتیجه،عملیات SA براي هر SU به معنی نه تنها تعیین فرکانس مرکزي بلکه پهناي باند طیف(بنابر نیاز کاربر) می باشد.مگر اینکه گره ي مرکزي وجود داشته باشد که فرکانش مرکزي و پهناي باند رابراي هر کاربر تعیین کند SA) متمرکز).علاوه بر این ها فرکانس هاي موجود و چاله هاي طیف دائما در حال تغییر هستند.این چالش ها مسئله تخصیص طیف (SA) را نسبت به CA در شبکه هاي معمولی که در حال حاضر NP_COMPLETE می باشند پیچیده تر می کند.یکی از نتایج این تحقیق این بوده است که، تنها چند پژوهش اخیر تاکنون به مسئله تخصیص طیف بدون در نظر گرفتن کانال به معنی معمول آن پرداخته است.برخلاف شبکه ها بیسیم معمولی که اختصاص کانال پویا و ثابت و ترکیبی در آن مطرح بود،در CRN ها تنها تکنیک تخصیص طیف پویا وجود دارد.

رویه ي حل مسئله تخصیص طیف معمولا به سه گام تقسیم می گردد.گام اول ضوابطی (که هدف راتعیین می کنند)که براي حل مسئله SA انتخاب می گردند.گام دوم تعریف مسیري که به بهترین شکل مسئله SA رامدل سازي می کند.گام سوم انتخاب مناسبترین تکنیکی که مسئله را ساده و به حل آن کمک می کند.در ادامه این گامها همراه با جزئیات بحث می گردنند.شکل 2 یک نماي کلی از این سه گام ارائه می دهد.

شکل(:(2 نمایی از مسئله SA

ب.ضوابط

چندین ضابطه براي تخصیص طیف به SU ها وجود دارد.واین ضوابط بر حسب هدف تعیین شده ي هر الگوریتم تغییر میکنند.جدول 1 به اختصار این ضوابط را ارائه می دهد.

.4روشهاي تخصیص طیف

در این بخش روشهاي اصلی تخصیص طیف بیان می شوند.جدول 3 ویژگی هاي این روش ها را به طور خلاصه نشان می دهد.

.1تخصیص طیف متمرکز یا گسترده:

شبکه هاي شناختگر به یکی از دو شکل متمرکز یا گسترده کار می کنند.بنابراین تخصیص طیف نیز در آنها می تواند به یکی از این دو دسته تقسیم شود.معمولا تخصیص طیف متمرکز نیازمند یک گره مرکزي می باشد که بیشتر کار ها را انجام داده و درمورد تخصیص طیف به کاربران تصمیم می گیرد.این گره مرکزي می تواند یک شبکه مجزا به نام سرور طیف یا فروشنده طیف باشد.[2]یا یک ایستگاه پایه مرکزي [106] که اطلاعات طیف ها و رادیو ها را از همه SU ھا به صورت دوره اي یا به هنگام درخواست می کند.در تخصیص طیف توزیع شده (به عنوان مثال ([64][53][46][41]هیچ مرکزي مسئول تخصیص طیف به کاربران شناختگر نمی باشد.در این حالت کاربران یا خودسر تصمیم می گیرند یا با همکاري همسایه هایشان در مورد تبادل اطلاعات ،اندازه گیري ها و تخصیص کانال به SU ها موجود در یک رنج خاص تصمیم می گیرند.

به طور کلی تخصیص طیف شناختگر توزیع شده قادر به تصمیم گیري در ترافیک هاي کم است،اما در ترافیک هاي زیاد روش متمرکز که از کل شبکه اطلاع دارد بهتر می تواند تصمیم گیري کند.

.2انتخاب کانال چندگانه:

در تخصیص کانال سنتی ،کانال اختصاصی،شامل یک فرکانس مرکزي و یک پهناي باند مشخص حول آن بود.این بدان معنا است که کانال هاي سنتی از نظر طیف پیوسته هستند وهر یک شامل بخش پیوسته اي از طیف می باشند.در مورد وسایل چند رادیویی((Multi-Radio هر رابط رادیویی یک کانال دریافت می کند،همانطوریکه در [115] آمده است ،آنجا که یک شبکه حلقه اي از رادیوهاي شناختگر چند گانه مورد بررسی قرار می گیرد.پیشرفت هاي اخیر در تکنولوژي رادیوهاي بیسیم شناختگر دسترسی به چندین بخش از طیف را ممکن ساخته است.(به عنوان مثال با استفاده از تکنووژي (OFDMبا جمع کردن این اجزا در یک کانال پهناي باند هر SU افزایش می یابد.[52]این امر موجب استفاده بهتر از طیف می گرددچرا که اجزاي کوچکی(که پیش از این به عنوان یک برش تنها کاربردي نداشت)اکنون می توانند در یک کانال جمع شده و پهناي باند مورد نیاز یک کاربر SU را تامین کند.با در نظر گرفتن وسایل چند-رادیویی(-Multi (Radio که امکان دسترسی به چندین برش طیف را به صورت همزمان دارند می توان به شدت ظرفیت کانال را افزایش داد،و به کاربران امکان نرخ داده هاي بالاتر را داد.

.3بودن PU ها یا نبودن PU ها؟

یک مسئله اساسی هنگامی که قصد کار کردن بر روي مسئله تخصیص طیف در رادیو هاي شناختگر را داریم این است که الگوریتم در نظر گرفته شده،وجود PU ها را در هسته ي مدل به حساب می آورد یا نه.اگر چه یکی از نیازهاي اساسی براي تکنولوژي CR این است که عملکرد SU ها نباید بر عملکرد شبکه اولیه تاثیر بگذارد،اما این مسئله همیشه در مقالات مورد توجه قرار نگرفته است.بیشتر کارها فرض می کنند که SU ها مجموعه اي از کانال ها در اختیار دارند که مجزاي از کانال هاي کاربران اولیه است.[61][53][33]بر اساس این فرضیات هدف از الگوریتم هاي SA توزیع کانال میان SU ها براساس یک روال منظم می باشد.این روش ها عموماً وجود PU ھا را نادیده میگیرد.بنابراین این روش بسیار شبیه تخصیصی کانال در شبکه هاي وایر لس ادهاك قدیمی یا شبکه هاي حلقه اي قدیمی می باشد.کارهاي دریگر U ([38][117][102][49][4]) ها رادر هسته ي مدل سیستم بررسی می کنند وتلاش دارند تا کانال ها را به شکلی به SU ها اختصاص دهند که تداخل براي PU ها حداقل و زیر یک حد آستانه (که در مقالات به آن ITL گویند)قرار گیرد.این روش مستلزم همکار ي PN ها می باشد(اطلاعات مربوط به اندازه گیري PU ها را در میان SU ها توزیع کند)یا اینکه SU ها محل گره هاي PU را بدانند.بنابراین می توانند تداخلی که موجب آن گردیده اند را محاسبه کنند.

.4بودن CCC یا نبودن CCC ؟

یکی از مرسوم ترین نیاز ها در تخصیص طیف CRN ها وجود یک کانال کنترلی مرسوم((CCCبراي هماهنگ کردن تخصیص کانال میان SU ھا می باشد.CCC یک کانال از پیش تعریف شده براي تبادل اطلاعات کنترلی میان SU ھا می باشد.ممکن است یک CCC جهانی و یا یک CCC محلی وجود داشته باشد،که این مسئله به اپراتور شبکه بستگی دارد.روشهاي SA نسبت به CCC به دو دسته تقسیم می شوند.((iآنهایی که وجود یک CCC را براي هماهنگ کردن SU ھا در نظر می گیرند.((iiآنهایی که نیازي به وجود CCC ندارند.اکثر کارهاي صورت گرفته در دسته اول قرار دارند(([118][112][80][64]گره ها از یک کانال از پیش تعیین شده براي تبادل اطلاعات کنترلی استفاده می کنند.واین بدان معنی است که همه ي کانال ها براي این امر در دسترس نیستند.در سمت دیگر تعداد اندکی از روش ها ([121][97][84]) هستند که از کانال کنترلی عمومی جهت تخصیص طیف استفاده نمی کنند.در [121]مسئله تخصیص طیف درون سلولی در یک شبکه شناختگر 802,22 بررسی شده است که در آن هیچ CCC مشخصی پیش بینی نشده است.نویسنده فرض کرده است که SU ھا پیام هاي کنترلی را در کانال هاي خالی تبادل می کنند و یک راه حل ابتکاري جهت تخصیص کانال پیشنهاد می دهد.ایستگاه پایه شناختگر از طریق انتشار بیکن کانال هاي خالی را به SU ھا اطلاع می دهد.کاربران به بیکن ها گوش داده و مجموعه کانال هاي خالی را شکل می دهند.و از میان آنها بهینه ترین را طبق یک روال انتخاب می کنند.

در [97][84] نویسندگان پیشنهاد استفاده از روشهاي دیگري براي جلوگیري از نیاز به CCC هاي از پیش تعیین شده را می دهند.یکی از این پیشنهادات فرستنده قابل تیون-گیرنده ثابت (TT-FR)نام دارد.که به SU ھا اجازه می دهد که در هر کانالی ارسال کنند اما آنها را محدود به دریافت از یک کانال ثابت می کند(که براي همه ي همسایه ها شناخته شده است)چون همه کاربران کانال مربوط به ارسال اطلاعات کنترلی به کاربر دیگر را می شناسند پس نیازي به کانال کنترلی نیست.

:Segment_Based.5

در [81] لغت((Segment براي مسئله تخصیص طیف به کار رفته استه و به عنوان حداکثر مجموع گره هاي متصل به هم که حداقل به بک کانال مشترك دسترسی دارند تعریف شده است.به علاوه نویسندگان عبارتSegment Gatway “ “Node را به عنوان گره هایی که در انتهاي یک لینک که دو Segment را به هم متصل می کند قرار دارد تعریف کرده اند.استراتژي آنها به همه گره هاي موجود در یک Segment یک کانال یکسان اختصاص می دهد که به آن ”کانال عملیاتی“ گویند.روش پیشنهادي شامل یک شماي تخصیص طیف و یک شماي حفاظت قابل انطباق Segment می باشد.در طی یکی دست دادن اولیه گره ها لیست گره هاي عملیاتی و کانال هاي دردسترس را تبادل می کنند.شماي تخصیص کانال شامل،تخصیص کانال،تشکیل Segment،کشف مسیر می باشد.و تشکیل Segment به طور مشترك با تخصیص کانال صورت می پذیرد.

Clustered_Based.6

در[124][123][122][59] شبکه حلقه اي شناختگر به کلاسورهایی تقسیم شده است.این روش یک راه حل دوگانه میان تخصیص طیف متمرکز و غیر متمرکز می باشد،که سعی می کند نقایص هر یک را نداشته باشد.شبکه داراي مسیریاب هاي حلقه اي که ثابت هستند و مشتریانی که می توانند متحرك باشند است.شبکه به M کلاسور تقسیم شده و هر کلاسور داراي یک مسیر یاب به عنوان سر کلاسور می باشد.هر SU اطلاعات مربوط به حس کردن طیف را به سر کلاسور ارسال می کند.سر کلاسور این اطلاعات را جمع کرده و یک بردار تخصیص طیف نهایی تولید می کند.سر کلاسور ها این بردارها را مبادله می کنند و در نهایت هر سر کلاسور تصمیم می گیرد کدام باند طیف مورد استفاده قرار گیرد.و آنها را میان کاربران کلاسور به اشتراك می گذارد.جهت مشخص کردن سر کلاسور ناکار آمد ،هنگامی که SU ها براي مدتی داده دریافت نکنند آنها فرض میکنند که سر کلاسور خراب شده است و به نزدیکترین سر کلاسور اعلام می کنند.

.5تکنیک هاي حل مسئله تخصیص طیف

در این قسمت مرسوم ترین روش هایی که براي حل مسئله SA در CRN ها وجود دارد ارائه می گردد.جدول 4 مختصري از این روش ها را به همراه مزایا ومعایب هر یک نشان می دهد.

الف.روش ابتکاري

مسئله یافتن راه حل بهینه براي تخصیص طیف شناختگر معمولا پیچیدگی هاي بسیاري دارد؛و یافتن سریع یک راه حل خوب و بهینه معمولا دشوار است.همانطور که در [154] آمده است، مسئله تخصیص طیف به کلاس مشکلات NP_Complete مربوط می شود.هیچ الگوریتم شناخته شده اي وجود ندارد که بتواند یک راه حل مطمئن و بهینه در مدت زمان اجرا به شکل یک چند جمله اي محدود از ابعاد مسئله ارائه دهد.جهت حل این مسئله، روش هاي ابتکاري در مواردي که یک تحقیق جامع عملی نباشد بکار می روند،تا به فرایند تخصیص طیف سرعت بیشتري داده و یک راه حل خوب را به سرعت پیدا کنند؛چرا که این روش ها به فرضیات محدود کننده ي روند هاي مختلف بهینه سازي نیازي ندارند،و اجازه به کار بردن مدلهایی که بیشتر بیانگر جهان واقعی هستند را می دهند.[157]روش هاي ابتکاري می توانند یک راه حل تقریبا بهینه با هزینه اي منطقی براي مشکلات پیچیده و زمان بر ارائه دهد.
از آنجا که روش هاي ابتکاري یک الگوریتم مشخص براي حل مسئله دارند.اکثر کارها روش هاي ساده پیشنهادي خود را جهت حل مسئله تخصیص طیف شناختگر ارائه می دهند.مانند .[45][43][34]روش ابتکاري معمولا یک الگوریتم تکرار شونده را در نظر می گیرد که در هر تکرار بهینه ترین روش حل را می یابد.که در مورد مسئله اینجا کاربري که می تواند بیشترین فایده را جهت دسترسی به طیف دارد،یا کانال با بیشترین SINR یا کمترین ترافیک باشد.

مزیت روش هاي ایتکاري در سادگی آن ها است.به سادگی قابل درك هستند،و درموارد بسیاري راه حل هاي با کیفیت بالا پیدا می کنند.به علاوه نسبت به تغییرات در مشخصه ها و کیفیت داده ها کمتر حساس بوده.یکی از عیوب روش هاي ابتکاري این است که اگرچه در تئوري راه حل ها مستقل از مشکل هستند اما اکثر روش هاي ابتکاري پیشرفته مختص به مسئله هستند و نمی توانند براي سایر مسائل بکار روند.و همین امر آنها را به راه حل هاي بهینه محلی که از راه حل هاي جهانی دور هستند محدود کرده است.

ب.روشهاي مبتنی بر گراف شبکه