認(rèn)知無線電的定義及原理_認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)_認(rèn)知無線電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 - 全文

　　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。它可以通過學(xué)習(xí)、理解等方式，自適應(yīng)的調(diào)整內(nèi)部的通信機理、實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。

　　一、認(rèn)知無線電的定義

　　1、JosephMitola對認(rèn)知無線電的定義

　　1999年，JosephMitola在他的學(xué)術(shù)論文 中首先提出了認(rèn)知無線電的概念，并描述了認(rèn)知無線電如何通過“無線電知識描述語言（RKRL，RadioKnowledgeRepresentationLanguage）”來提高個人無線業(yè)務(wù)的靈活性。隨后，JosephMitola在他的博士論文中詳細探討了這一理論 。他認(rèn)為：認(rèn)知無線電應(yīng)該充分利用無線個人數(shù)字設(shè)備和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)在無線電資源和通信方面的智能計算能力來檢測用戶通信需求，并根據(jù)這些需求提供最合適的無線電資源和無線業(yè)務(wù)。Mitola的認(rèn)知無線電的定義是對軟件無線電的擴展。認(rèn)知無線電以軟件無線電為平臺，并使軟件無線電智能化。

　　2、FCC的認(rèn)知無線電定義

　　JosephMitola定義的認(rèn)知無線電強調(diào)“學(xué)習(xí)”的能力，認(rèn)知無線電系統(tǒng)需要考慮通信環(huán)境中的每一個可能參數(shù)，然后做出決定。相比于JosephMitola的定義，F(xiàn)CC針對頻譜有效分配問題對認(rèn)知無線電做出的定義更能為業(yè)界所接受。在2003年12月的一則通告 中，F(xiàn)CC對認(rèn)知無線電作出如下定義：認(rèn)知無線電是能夠與所處的通信環(huán)境進行交互并根據(jù)交互結(jié)果改變自身傳輸參數(shù)的無線電。

　　FCC對認(rèn)知無線電的這個定義主要是基于頻譜資源分配和管理問題提出的。目前無線頻譜資源的規(guī)劃和使用都是由政府制定的，無線通信設(shè)備對頻譜的使用需要經(jīng)過政府的許可。而固定的頻譜分配政策導(dǎo)致了頻譜不能有效利用的問題。比如分配給蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻帶經(jīng)常超負(fù)荷，而共用頻帶沒有充分使用等。而且頻段的利用率在不同的時間和空間也有所不同。

　　3、其他的認(rèn)知無線電定義

　　除了JosephMitola和FCC外，還有很多學(xué)者對認(rèn)知無線電進行了定義。

　　比如，SimonHaykin結(jié)合JosephMitola和FCC的觀點，對認(rèn)知無線電做出如下定義 ：認(rèn)知無線電是一個智能無線通信系統(tǒng)，它能感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實時改變傳輸功率、載波頻率和調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)外界環(huán)境的變化，從而達到很高的頻譜利用率和最佳通信性能。

　　二、認(rèn)知無線電特點

　　對環(huán)境的感知能力：此特點是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、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)?？梢灾貥?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。

　　三、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)驗對實際情況進行響應(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。

　　四、認(rèn)知無線電物理層關(guān)鍵技術(shù)

　　通用的CR收發(fā)機結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)合前文關(guān)于CR基本原理的討論，可以發(fā)現(xiàn)，CR物理層的關(guān)鍵技術(shù)包括：寬帶射頻前端技術(shù)、頻譜感知技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

　　4.1 寬帶射頻前端技術(shù)

　　為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調(diào)諧到大頻譜范圍內(nèi)的任意頻帶。通用的寬帶射頻前端結(jié)構(gòu)如圖3所示，接收的信號通過放大、混頻和A/D轉(zhuǎn)換等步驟后送入基帶處理，進行頻譜感知或數(shù)據(jù)檢測。其中，射頻濾波器通過通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號；低噪放大器（LNA）在放大所需信號的同時最小化噪聲；鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）和混頻器聯(lián)合控制，將所需要的接收信號轉(zhuǎn)換到基帶或者中頻處理；信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾；自動增益控制（AGC）維持很寬的動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號經(jīng)放大器的輸出功率恒定。

　　針對CR應(yīng)用，寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動態(tài)范圍內(nèi)檢測弱信號。為此，需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A/D轉(zhuǎn)換器，并且要求超過12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過陷波濾波器濾出強信號，降低信號的動態(tài)范圍；或采用智能天線技術(shù)，通過空域濾波來實現(xiàn)強信號濾出。

　　4.2 頻譜感知技術(shù)

　　頻譜感知技術(shù)是CR應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提?，F(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)可以按照圖4進行分類。單節(jié)點感知是指單個CR節(jié)點根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進行頻譜特性標(biāo)識；而協(xié)同感知則是通過數(shù)據(jù)融合，基于多個節(jié)點的感知結(jié)果將進行綜合判決。

　　單節(jié)點感知技術(shù)包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種，其比較如表1所示。由于這些方法各有優(yōu)缺點，實際應(yīng)用時通常結(jié)合使用。

　　檢測算法適用范圍優(yōu)點缺點匹配濾波CR節(jié)點知道授權(quán)用戶信號的信息檢測時間短需要先驗信息能量檢測CR節(jié)點不知道授權(quán)用戶的信號信息實現(xiàn)簡單，不需要先驗信息受噪聲不確定性影響，不能區(qū)別信號類型，檢測時間長周期特性檢測CR用戶信號具有周期自相關(guān)特性可以區(qū)別噪聲和信號類型計算復(fù)雜度高認(rèn)知無線電要求頻譜感知能夠準(zhǔn)確地檢測出信噪比（SNR）大于某一門限值的授權(quán)用戶信號，通常這個SNR的門限值是很低的，對于單節(jié)點感知來說，要達到這個要求并不容易。

　　為此，人們提出協(xié)同頻譜感知，通過檢測節(jié)點間的協(xié)作達到系統(tǒng)要求的檢測門限，從而降低對單個檢測節(jié)點的要求，降低單個節(jié)點的負(fù)擔(dān)。協(xié)同頻譜感知的另一個優(yōu)點是可以有效的消除陰影效應(yīng)的影響。協(xié)同感知可以采用集中或者分布式的方式進行。集中式協(xié)同感知是指各個感知節(jié)點將本地感知結(jié)果送到基站（BS）或接入點（AP）統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)融合，做出決策；分布式協(xié)同感知則是指個節(jié)點間相互交換感知信息，各個節(jié)點獨自決策。影響協(xié)同頻譜感知的關(guān)鍵因素除了參與協(xié)同的單節(jié)點的感知性能外，還包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)融合方法；另外，在協(xié)同頻譜感知中，不同感知節(jié)點的相關(guān)性和單個節(jié)點的不可靠性也會對頻譜感知的性能產(chǎn)生重要影響。

　　隨著FCC引入干擾溫度模型來測量干擾，也有人提出通過測量干擾溫度進行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節(jié)點知道授權(quán)用戶的位置，目前尚面臨很多問題。

　　4.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

　　數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對于CR實現(xiàn)利用空閑頻譜進行通信，從而整體上提高頻譜利用率的主要目標(biāo)非常關(guān)鍵。由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍，并且不連續(xù)，因此CR數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必需能夠適應(yīng)可用頻譜的這一特性。

　　目前，實現(xiàn)頻譜自適應(yīng)CR數(shù)據(jù)傳輸有2個基本途徑：采用多載波技術(shù)或采用基帶信號發(fā)射波形設(shè)計。

　　在多載波傳輸技術(shù)中，正交頻分復(fù)用（OFDM）是最佳候選技術(shù)。如圖5所示，其基本思想是將可用整個頻帶劃分成OFDM子載波，只利用沒有被授權(quán)用戶占用的子載波傳輸數(shù)據(jù)，構(gòu)成所謂的非連續(xù)OFDM（NC-OFDM）。子載波的分配則通過頻譜感知和判決的結(jié)果，以分配矢量的方式實現(xiàn)。例如，在進行OFDM調(diào)制時，可以將已被授權(quán)用戶占用的子載波置零，從而避免對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾。同時，考慮到頻譜滲漏的問題，還有必要留出足夠的保護子載波。同時，由于很多子載波并沒有使用，可以通過一些快速傅立葉變換（FFT）修剪算法降低系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。

　　OFDM技術(shù)的重要優(yōu)點是實現(xiàn)靈活，但也面臨同步、信道估計以及高峰平比的問題。為此，也可以通過在時、頻或者碼域設(shè)計特殊的發(fā)射波形，生成滿足特定頻譜形狀的發(fā)射信號。例如，在頻域合成波形的變換域通信系統(tǒng)（TDCS）、設(shè)計特殊擴頻碼片的擾測量法/碼分多址（CI/CDMA）技術(shù)、以及跳碼/碼分多址（CH/CDMA）技術(shù)等。雖然這些技術(shù)不如OFDM實現(xiàn)靈活，但在初始接入、收發(fā)雙方不知道對方可用頻譜特性時仍然有用。

　　五、認(rèn)知無線電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　當(dāng)前，認(rèn)知無線電技術(shù)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。很多著名學(xué)者和研究機構(gòu)都投入到認(rèn)知無線電相關(guān)技術(shù)的研究中，啟動了很多針對認(rèn)知無線電的重要研究項目。例如：德國Karlsruhe大學(xué)的F. K. Jondral教授等提出的頻譜池系統(tǒng)、美國加州大學(xué)Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究組開發(fā)的COVUS系統(tǒng)、美國Georgia理工學(xué)院寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)實驗室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項目、美國軍方DARPA的XG項目、歐盟的E2R項目等。在這些項目的推動下，在基本理論、頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議、與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的融合以及原型開發(fā)等領(lǐng)域取得了一些成果。IEEE為此專門組織了兩個重要的國際年會IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流這方面的成果，許多重要的國際學(xué)術(shù)期刊也通過將刊發(fā)關(guān)于認(rèn)知無線電的專輯。目前，最引人關(guān)注的是IEEE 802.22工作組的工作，該工作組正在制定利用空閑電視頻段進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。

　　結(jié)合上述認(rèn)知無線電技術(shù)的現(xiàn)狀，預(yù)計認(rèn)知無線電未來會沿著以下幾個方面發(fā)展：

　　基本理論和相關(guān)應(yīng)用的研究，為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。比較重要的包括：認(rèn)知無線電的信息論基礎(chǔ)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，例如：頻譜資源的管理、跨層聯(lián)合優(yōu)化等等。

　　試驗驗證系統(tǒng)開發(fā)。目前，已經(jīng)有多個試驗驗證系統(tǒng)正在開發(fā)中，這些系統(tǒng)的開發(fā)成功，將為驗證認(rèn)知無線電的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)提供測試床，推動其大規(guī)模應(yīng)用。

　　與現(xiàn)有系統(tǒng)的融合。雖然目前認(rèn)為認(rèn)知無線電的應(yīng)用應(yīng)該不要求授權(quán)用戶作任何改變，但如果授權(quán)用戶和認(rèn)知無線電用戶協(xié)同工作，將會便于實現(xiàn)并提高效率。目前，已經(jīng)有一些研究工作在考慮將認(rèn)知無線電集成到現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的方法，并取得了一些初步成果。預(yù)計未來這方面將會有大量的需求。