淺談?wù)J知無線電

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
[Abstract] This essay introduces the definition、background、characteristic、principle of Cognitive Radio,CR, and we analyze its several key technologies, besides, we talk about its management ideas、the present situation of development, and in the end, we connect it with SDR. This essay point that now we should connect CR with SDR, and we could merge SDR into CR when technology develops and realize real CR.
[Key words] CR; key technologies; 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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)間、地點(diǎn)、頻段[2]等信息，及時(shí)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(jì)，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。

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(gè)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(yàn)對實(shí)際情況進(jìn)行響應(yīng)，過去的經(jīng)驗(yàn)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(shí)[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(shí)候隨時(shí)調(diào)用。歐洲的SPACE項(xiàng)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(gè)特性，此方法就是利用這個(gè)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(jì)算量大，檢測時(shí)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(gè)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(xiàng)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(xiàng)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(gè)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(jì)，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(xiàng)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(bào)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(gè)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(shí)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(shí)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?，F(xiàn)階段人們正在研究探索實(shí)現(xiàn)CR的各項(xiàng)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。