淺析認(rèn)知無線電技術(shù)

本文通過對認(rèn)知無線電（CR）的概念、提出的背景、特點(diǎn)、原理的介紹，分析了它的若干關(guān)鍵技術(shù)，并說明了它的頻譜管理思想、發(fā)展現(xiàn)狀，最后提及了它與軟件無線電（SDR）的關(guān)系。研究認(rèn)為，現(xiàn)階段應(yīng)把CR和SDR技術(shù)聯(lián)系起來，待各自技術(shù)相對成熟后，再將SDR技術(shù)融合到CR中，實(shí)現(xiàn)真正意義上的CR。
[關(guān)鍵詞]  CR； 關(guān)鍵技術(shù)； SDR

引 言
現(xiàn)代社會中，無線頻譜已成為不可或缺的寶貴資源。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的大量研究表明，一些非授權(quán)頻段如工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用頻段以及用于陸地移動通信的2GHz左右的頻段過于擁擠，而有些頻段卻經(jīng)?？臻e。于是人們想到，若有一種系統(tǒng),它能自動感知所處的頻譜環(huán)境，發(fā)現(xiàn)頻譜空洞(暫時沒有被主用戶使用的頻段)并利用它，就能在很大程度上提高頻譜利用率。基于這種思想，人們提出了認(rèn)知無線電。

1  認(rèn)知無線電概念
認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR) 的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作[1]。它可以通過學(xué)習(xí)、理解等方式，自適應(yīng)的調(diào)整內(nèi)部的通信機(jī)理、實(shí)時改變特定的無線操作參數(shù)（如功率、載波調(diào)制和編碼等）等，來適應(yīng)外部無線環(huán)境，自主尋找和使用空閑頻譜。它能幫助用戶選擇最好的、最適合的服務(wù)進(jìn)行無線傳輸，甚至能夠根據(jù)現(xiàn)有的或者即將獲得的無線資源延遲或主動發(fā)起傳送。

2  認(rèn)知無線電特點(diǎn)
對環(huán)境的感知能力：此特點(diǎn)是CR技術(shù)成立的前提，只有在環(huán)境感知和檢測的基礎(chǔ)上，才能使用頻譜資源。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測一定范圍的頻段，檢測頻譜空洞。
對環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)性：此特點(diǎn)體現(xiàn)CR技術(shù)的智能性，在遇到主用戶信號時，能盡快主動退避，在頻譜空洞間自如的切換。
通信質(zhì)量的高可靠性：要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)任何時間任何地點(diǎn)的高度可靠通信，能夠準(zhǔn)確地判定主用戶信號出現(xiàn)的時間、地點(diǎn)、頻段[2]等信息，及時調(diào)整自身參數(shù)，提高通信質(zhì)量。
系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性：CR設(shè)備可根據(jù)頻譜環(huán)境動態(tài)編程，也可通過硬件設(shè)計，支持不同的收發(fā)技術(shù)。可以重構(gòu)的參數(shù)包括：工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。

3  認(rèn)知無線電原理
認(rèn)知無線電原理如圖1所示,由圖可看出,CR設(shè)備對周圍環(huán)境感知、探測、分析，這種探測和感知是全方位的，應(yīng)對地形、氣象等綜合信息也有所了解。由此圖也可得出，CR是高智能設(shè)備，應(yīng)包含一個智能收發(fā)器。有了足夠的人工智能，它就能吸取過去的經(jīng)驗對實(shí)際情況進(jìn)行響應(yīng)，過去的經(jīng)驗包括對死區(qū)、干擾和使用模式等的了解。它的學(xué)習(xí)能力是使它從概念走向應(yīng)用的真正原因。
 
圖1：認(rèn)知無線電原理圖
當(dāng)CR用戶發(fā)現(xiàn)頻譜空洞，使用已授權(quán)用戶的頻譜資源時[3]，必須保證它的通信不會影響到已授權(quán)用戶的通信，一旦該頻段被主用戶使用，CR有兩種應(yīng)對方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續(xù)使用該頻段，改變發(fā)射頻率或調(diào)制方案，避免對主用戶的干擾。

4  認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)
4．1  頻譜檢測技術(shù)
頻譜檢測是在復(fù)雜的環(huán)境中監(jiān)測出CR可以使用的頻譜空隙，下圖2是實(shí)際中的操作圖：
 
                圖2:實(shí)際中的頻譜檢測圖
上圖中，左邊部分是對所處環(huán)境的處理，掌握環(huán)境的各種信息是正確判決頻譜信息的前提，如何從復(fù)雜環(huán)境中提取有用的信息，需要科研人員綜合各種技術(shù)。
對環(huán)境的處理主要考慮CR設(shè)備的無縫接入、安全性、隱私性、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)能力、跟蹤能力、數(shù)據(jù)動態(tài)管理、定位、感知等。下面主要介紹無縫接入。
無縫接入保證了動態(tài)環(huán)境中CR的精確性，實(shí)現(xiàn)它主要有兩種方法：基于波形的方法和基于環(huán)境感知的方法。前一種在定位系統(tǒng)和波形轉(zhuǎn)換器中裝有標(biāo)準(zhǔn)波形，需要的時候隨時調(diào)用。歐洲的SPACE項目利用了此方法，該模型由定位系統(tǒng)、波形器、算法選擇器、傳感器等組成。第二種方法是感知信道環(huán)境的參數(shù)，據(jù)此選擇正確的算法。在未知環(huán)境中，基于RSS的定位分析算法已被廣泛采用，此算法綜合分析了CR設(shè)備的定位參數(shù)和在信道環(huán)境中設(shè)備的損失參數(shù)，經(jīng)傳感器輸出信號保證無縫接入。后一種方法比前一種方法的復(fù)雜度低，CR被認(rèn)為應(yīng)具有兩種方法。
目前頻譜檢測研究較多的方法有：匹配濾波器法、能量檢測法、循環(huán)平衡特定檢測法等。
匹配濾波器法：若CR用戶已預(yù)先得知主用戶信號的各種信息，在加性高斯噪聲信道中，此法能得到最佳的效果，它能使接收信號的信噪比最大化。它的缺點(diǎn)是CR需要主用戶的信息，適用于對主用戶信息比較了解的頻譜環(huán)境中，如大家已熟悉的超高頻電視頻段中。
能量檢測法：能量檢測法適用于不知道主用戶信息的環(huán)境中，針對此方法，F(xiàn)CC提出了干擾溫度限這一新的度量概念，干擾溫度在它以下的信道就是適宜的頻譜空穴。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，缺點(diǎn)是干擾溫度限較難設(shè)定，它的門限值需視具體的環(huán)境而定[4]。
循環(huán)平衡特定檢測法：在通信中，有用信號一般受人工周期信號的調(diào)制，有潛在的周期性，而噪聲沒有這個特性，此方法就是利用這個特點(diǎn)進(jìn)行檢測的，比較適合于噪聲環(huán)境中。它的缺點(diǎn)是算法復(fù)雜計算量大，檢測時間相對長一些。
4．2 認(rèn)知無線電中的頻譜管理
現(xiàn)階段，有人把頻譜劃分為三個等級：第一等級：嚴(yán)格管理、不可干擾；第二等級：在一定程度上可被非授權(quán)用戶干擾；第三等級：無限制的使用。目前CR的頻譜管理思想仍沒有達(dá)成共識。好的管理思想應(yīng)能體現(xiàn)CR的優(yōu)勢，提高頻譜利用率，以適應(yīng)現(xiàn)代社會的需要。當(dāng)前，一些標(biāo)準(zhǔn)化組織先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以推動該技術(shù)在多種應(yīng)用場景下的發(fā)展。目前各種基于CR的頻譜管理思想和管理規(guī)則仍在研究之中。

5  認(rèn)知無線電發(fā)展現(xiàn)狀
目前，CR主要處于初級階段，各項理論和技術(shù)處于研究探索中，但它已得到了各界的關(guān)注，很多著名學(xué)者和機(jī)構(gòu)都投入到它的研究中，啟動了很多針對此的重要研究項目。最引人關(guān)注的是IEEE802.22工作組的工作，該工作組制訂了利用空閑電視頻段進(jìn)行寬帶無線接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個引入認(rèn)知無線電概念的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化活動。無線電知識描述語言(RKRL)也應(yīng)運(yùn)而生。近期CR的主要目標(biāo)是提高頻譜利用率，研究預(yù)計，頻譜利用率將提高3%-10%不等[5]。它的長遠(yuǎn)目標(biāo)是與各項技術(shù)更好的結(jié)合，滿足日益增長的用戶對頻譜的要求。目前，認(rèn)知無線電技術(shù)炙手可熱，應(yīng)用前景一片大好。有報道稱具有認(rèn)知功能的無線局域網(wǎng)產(chǎn)品將在近一兩年內(nèi)問世，但是要真正實(shí)現(xiàn)CR技術(shù)還需解決包括頻譜檢測技術(shù)、自適應(yīng)頻譜資源分配技術(shù)和無線頻譜管理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題。

6  認(rèn)知無線電與軟件無線電的關(guān)系
認(rèn)知無線電技術(shù)是在軟件無線電技術(shù)(SDR)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的智能無線通信技術(shù)，它是SDR的擴(kuò)展，它使SDR從預(yù)先定義協(xié)議的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成無線電領(lǐng)域的智能代理。CR最基本的形式，是包含SDR的一種混合技術(shù)，其中SDR被應(yīng)用于擴(kuò)頻通信，SDR關(guān)注的是無線電系統(tǒng)信號處理的實(shí)現(xiàn)方式；而CR是指無線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化，并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)[6]。從這個意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層功能。本文認(rèn)為，在現(xiàn)階段，我們可以利用SDR和CR的各自優(yōu)勢，讓SDR主要完成后臺工作，比如信號處理和相應(yīng)的算法，CR根據(jù)SDR的處理結(jié)果智能的選擇頻譜空洞，它們明確的分工合作，可以提高效率。當(dāng)CR監(jiān)測到頻譜空洞后，將此頻譜的相關(guān)信息發(fā)送到SDR端，比如主用戶的信息：調(diào)制方式、時序、封裝格式等， SDR做分析處理，在SDR端，快速的處理保證了CR的實(shí)時性。待技術(shù)成熟后，可以考慮綜合利用各種技術(shù)，擴(kuò)大CR功能，將SDR轉(zhuǎn)移結(jié)合到CR中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。

結(jié) 論
認(rèn)知無線電技術(shù)的提出，為解決頻譜資源不足、實(shí)現(xiàn)頻譜動態(tài)管理及提高頻譜利用率提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。為頻譜資源的充分利用提供了非常有力的支持[7]，它將成為下一波有沖擊性的技術(shù)革新浪潮。現(xiàn)階段人們正在研究探索實(shí)現(xiàn)CR的各項技術(shù)，本文認(rèn)為，可以先將它與SDR結(jié)合，待技術(shù)成熟后，再擴(kuò)大CR功能，做成優(yōu)良的CR成品。