認(rèn)知無線電技術(shù)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線用戶的數(shù)量急劇增加，使得頻譜資源變得越來越緊張，如何充分提高無線頻譜的利用率成為亟待解決的技術(shù)問題。認(rèn)知無線電技術(shù)提出了一種新的解決思路，其核心思想就是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空洞”的能力。雖然認(rèn)知無線電技術(shù)能以更為靈活的方式來管理有限的頻譜資源，但要真正將其應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)還需解決包括頻譜檢測、自適應(yīng)頻譜資源分配和無線頻譜管理等關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 認(rèn)知無線電技術(shù)提出的背景

　　隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊張。尤其是隨著無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)、無線個人域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人通過這些技術(shù)以無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大多使用非授權(quán)的頻段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN無線通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，這些網(wǎng)絡(luò)所工作的非授權(quán)頻段已經(jīng)漸趨飽和。而另外一些通信業(yè)務(wù)(如電視廣播業(yè)務(wù)等)需要通信網(wǎng)絡(luò)提供一定的保護(hù)，使他們免受其他通信業(yè)務(wù)的干擾。為了提供良好的保護(hù)，頻率管理部門專門分配了特定的授權(quán)頻段(LFB)以供特定通信業(yè)務(wù)使用。與授權(quán)頻段相比，非授權(quán)頻段的頻譜資源要少很多(大部分的頻譜資源均被用來做授權(quán)頻段使用)。而相當(dāng)數(shù)量的授權(quán)頻譜資源的利用率卻非常低。于是就出現(xiàn)了這樣的事實(shí)：某些部分的頻譜資源相對較少但其上承載的業(yè)務(wù)量很大，而另外一些已授權(quán)的頻譜資源利用率卻很低。因此，可以得出這樣的結(jié)論：基于目前的頻譜資源分配方法，有相當(dāng)一部分頻譜資源的利用率是很低的。

　　為了解決頻譜資源匱乏的問題，基本思路就是盡量提高現(xiàn)有頻譜的利用率。為此，人們提出了認(rèn)知無線電的概念。認(rèn)知無線電的基本出發(fā)點(diǎn)就是：為了提高頻譜利用率，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)(Opportunistic Way)”的方式工作在已授權(quán)的頻段內(nèi)。當(dāng)然，這一定要建立在已授權(quán)頻段沒用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動的情況下。這種在空域、時域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。認(rèn)知無線電的核心思想就是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用的能力。

　　當(dāng)非授權(quán)通信用戶通過“借用”的方式使用已授權(quán)的頻譜資源時，必須保證他的通信不會影響到其他已授權(quán)用戶的通信。要做到這一點(diǎn)，非授權(quán)用戶必須按照一定的規(guī)則來使用所發(fā)現(xiàn)的“頻譜空洞”。在認(rèn)知無線電中，這樣的規(guī)則是以某種機(jī)器可理解的形式(如XML語言)加載到通信終端上。由于這些規(guī)則可以隨時根據(jù)頻譜的利用情況、通信業(yè)務(wù)的負(fù)荷與分布等進(jìn)行不斷的調(diào)整，因此通過這些規(guī)則，頻譜管理者就能以更為靈活的方式來管理寶貴的頻譜資源。

2 認(rèn)知無線電的歷史和概念

　　從以上介紹可以看出，為了提高頻譜利用率，可以充分利用檢測到的“頻譜空洞”。這是認(rèn)知無線電技術(shù)的一項(xiàng)應(yīng)用。但是，作為一個全新概念提出的認(rèn)知無線電，其涵蓋面則更為廣泛。認(rèn)知無線電的基本定義可歸納為[1]：認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)是可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統(tǒng)。認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)，不斷地感知外界的環(huán)境變化，并通過自適應(yīng)地調(diào)整其自身內(nèi)部的通信機(jī)理來達(dá)到對環(huán)境變化的適應(yīng)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整一方面是為了改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面是為了提高頻譜資源的利用率。由此可以總結(jié)出認(rèn)知無線電所具有的特點(diǎn)是：

　　*對環(huán)境的感知能力

　　*對環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力

　　*對環(huán)境變化的自適應(yīng)性

　　*通信質(zhì)量的高可靠性

　　*對頻譜資源的充分利用

　　*系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性

　　認(rèn)知無線電是由MITRE公司的顧問、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院Joseph Mitola博士生和GERALD Q MAGUIRE, JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上明確提出的[2]，是對軟件無線電的進(jìn)一步的擴(kuò)展。認(rèn)知無線電采用無線電域的基于模型的方法對控制無線電頻譜使用的規(guī)則(如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時間模式等)進(jìn)行推理，通過無線電知識表示語言(RKRL)[3]，表述無線電規(guī)則、設(shè)備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡(luò)、用戶需求和應(yīng)用場景的知識，以增強(qiáng)個人業(yè)務(wù)的靈活性，使軟件無線電技術(shù)能更好地滿足用戶需求。

　　盡管沒有成熟的認(rèn)知無線電的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，但無線業(yè)界的強(qiáng)烈感覺是認(rèn)知無線電將成為下一波有沖擊性的技術(shù)革新浪潮。IEEE于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作組——無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WRAN)工作組，計(jì)劃2007年下半年完成標(biāo)準(zhǔn)化工作。其目的是研究基于認(rèn)知無線電的物理層、媒體訪問控制(MAC)層和空中接口，以無干擾的方式使用已分配給電視廣播的頻段。將分配給電視廣播的甚高頻/超高頻(VHF/UHF)頻帶(北美為54 MHz～862 MHz)的頻率用作為寬帶接入頻段。

　　美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)2003年12月就相當(dāng)于美國《電波法》的《FCC規(guī)則第15章(FCC rulePart15)》，公布了修正案，明確只要具備認(rèn)知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現(xiàn)有無線頻帶。FCC在推進(jìn)智能無線技術(shù)的同時還將放寬有關(guān)限制。

　　針對認(rèn)知無線電，美國國防部提出下一代無線通信(XG)的項(xiàng)目，2004年該項(xiàng)目進(jìn)入第三個研究階段，投資1 700萬美元，預(yù)計(jì)在2006年底完成第三階段的研究。該項(xiàng)目將研制和開發(fā)頻譜捷變無線電(Spectrum Agile Radios)，這些無線電臺在使用法規(guī)的范圍內(nèi)，可以動態(tài)自適應(yīng)變化的無線環(huán)境，在不干擾其他正常工作無線電臺的前提下，可以使接入的頻譜范圍擴(kuò)大近10倍。

3 認(rèn)知無線電的應(yīng)用場景

　　考慮一個工作在非授權(quán)頻段(如免授權(quán)國家信息基礎(chǔ)設(shè)施頻段)的無線通信終端(遵循Wi-Fi規(guī)范)。在其工作的免授權(quán)國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(U-NII)頻段，通信業(yè)務(wù)非常繁忙(近乎達(dá)到飽和狀態(tài))。這樣的工作頻段已無法滿足其他通信終端新的業(yè)務(wù)請求。鑒于這種情況，頻譜管理機(jī)構(gòu)(如FCC)將選擇利用率較低的其他已授權(quán)頻段(如電視廣播頻段中若干未被使用的頻譜資源)。這樣的頻段可以被暫時用來支持非授權(quán)頻段上那些未能接入其系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)。為此，頻譜管理機(jī)構(gòu)將生成一套使用已授權(quán)頻段的法規(guī)(這些法規(guī)將指導(dǎo)并約束著非授權(quán)用戶去合理地使用授權(quán)頻段)。這些法規(guī)由頻譜管理機(jī)構(gòu)以某種機(jī)器可以理解的方式發(fā)布。

　　具有認(rèn)知無線電功能的非授權(quán)用戶定期地搜索并下載相應(yīng)的頻譜使用法規(guī)。獲得最新的頻譜使用法規(guī)之后，非授權(quán)用戶將根據(jù)這些法規(guī)，對自身的通信機(jī)制進(jìn)行調(diào)整(通信機(jī)制可能包括：工作的頻段、發(fā)射功率、調(diào)制解調(diào)方式以及多址接入策略等)。為了使周邊的通信終端盡快獲得更新了的法規(guī)，獲得最新法規(guī)的終端還將其所獲得的法規(guī)廣播出去。當(dāng)然，對那些不具備認(rèn)知無線電能力的通信終端來說，這樣的廣播信息將被忽略。

　　對于具有認(rèn)知能力的通信終端，除了獲得最新的頻譜使用規(guī)則外，另外一項(xiàng)很重要的工作就是完成對“頻譜空洞”的檢測。對“頻譜空洞”的檢測實(shí)際上就是完成對周邊通信環(huán)境的認(rèn)知。根據(jù)檢測到的“頻譜空洞”的特性(如“空洞”的帶寬等)和獲得的頻譜使用法規(guī)，通信終端產(chǎn)生出合理使用該“空洞”的具體行為。
以工作在非授權(quán)頻段的無線局域網(wǎng)通信終端為例，可以說明認(rèn)知無線電的可能的應(yīng)用場景。當(dāng)然，從認(rèn)知無線電的定義可以看出認(rèn)知無線電的概念涵蓋面極寬，其應(yīng)用場景絕不僅限于此。

　　認(rèn)知無線電技術(shù)在寬帶無線通信系統(tǒng)中有著廣泛的用途?；贗EEE 802.11b/g和IEEE 802.11a的無線局域網(wǎng)設(shè)備工作在2.4 GHz和5 GHz的不需授權(quán)的頻段上。然而在這個頻段上，可能受到包括藍(lán)牙設(shè)備、HomeRF設(shè)備、微波爐、無繩電話以及其他一些工業(yè)設(shè)備的干擾。具有認(rèn)知功能的無線局域網(wǎng)可以通過接入點(diǎn)對頻譜的不間斷掃描，從而識別出可能的干擾信號，并結(jié)合對其他信道通信環(huán)境和質(zhì)量的認(rèn)知，自適應(yīng)地選擇最佳的通信信道。另外，具有認(rèn)知功能的接入點(diǎn)，在不間斷正常通信業(yè)務(wù)進(jìn)行的同時，通過認(rèn)知模塊對其工作的頻段以及更寬的頻段進(jìn)行掃描分析，從而可以盡快地發(fā)現(xiàn)非法的惡意攻擊終端。這樣的技術(shù)可以進(jìn)一步增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。同樣，將這樣的認(rèn)知技術(shù)應(yīng)用在其他類型的寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)中也會進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和安全性。

4 認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 頻譜檢測技術(shù)

　　認(rèn)知無線電技術(shù)能夠感知并分析特定區(qū)域的頻段，找出適合通信的“頻譜空洞”，利用某些特定的技術(shù)和處理，在不影響已有通信系統(tǒng)的前提下進(jìn)行工作。因而，從認(rèn)知無線電工作流程上可以看到(如圖1所示)，為了在某個地域上應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)，最先進(jìn)行的工作是對該地?zé)o線信道環(huán)境的感知，即頻譜檢測和“空洞”搜尋與判定。
如果將待查的頻段分為3種不同的情況：黑空，存在高功率的干擾；灰空，存在低功率的干擾；白空：僅存在環(huán)境噪聲量，包括熱噪聲、瞬時反射、脈沖噪聲等。那么頻譜檢測的任務(wù)就是查找適合認(rèn)知無線電業(yè)務(wù)的白空，同時對工作頻段在黑空(或灰空)和白空之間的轉(zhuǎn)變進(jìn)行監(jiān)測。

　　在認(rèn)知無線電技術(shù)中，進(jìn)行頻譜檢測即對所觀察的頻段進(jìn)行干擾溫度的估計(jì)。干擾溫度可以看作是頻段內(nèi)的干擾功率譜密度，它的設(shè)定是用來量化和管理無線環(huán)境中的干擾問題。針對經(jīng)過譜估計(jì)得到的干擾溫度，可以給出干擾溫度界限。通過干擾溫度界限可以對觀測的“頻譜空洞”進(jìn)行選擇，超過界限的干擾或其他噪聲都是不符合通信要求的頻譜。

　　通常在接收端進(jìn)行干擾溫度的測量，并搜尋“頻譜空洞”，將獲得的信息通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的反饋信道傳送至發(fā)送端，并據(jù)此進(jìn)行發(fā)射功率控制處理和動態(tài)頻譜管理；在發(fā)射端和接收端也可以采用自適應(yīng)的波束成型技術(shù)，進(jìn)一步補(bǔ)充的干擾控制。

　　在認(rèn)知無線電感知無線環(huán)境的工作中，如何進(jìn)行高效的無線頻譜估計(jì)和分析是關(guān)鍵技術(shù)之一。頻譜分析是一項(xiàng)相對比較成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)，經(jīng)過了多年的發(fā)展，形成了眾多各具特色的算法和理論。在認(rèn)知無線電技術(shù)中，可以利用這些已有的算法進(jìn)行無線環(huán)境的觀測。當(dāng)然，由于認(rèn)知無線電的特殊性質(zhì)，需要在一定通信區(qū)域空間領(lǐng)域、較寬的頻域、以及時域進(jìn)行頻譜分析，這就要求對眾多頻譜分析算法進(jìn)行合適的選取和改動。

　　認(rèn)知無線電技術(shù)中通常采用的頻譜分析算法是多窗譜估計(jì)算法。該算法使用多個離散扁球體序列作為正交窗函數(shù)。經(jīng)過這種窗函數(shù)濾波后的信號在有限采樣點(diǎn)時的傅氏變換具有極佳的能量集中特性，是一種接近最優(yōu)的方法。這種特性使得在降低頻譜估計(jì)的方差時不會影響估計(jì)的偏差，因而具有較好的計(jì)算性能和應(yīng)用價(jià)值。

　　在認(rèn)知無線電領(lǐng)域進(jìn)行干擾溫度估計(jì)時，為了能夠更好地感知待測區(qū)域內(nèi)的干擾溫度，在頻譜分析算法中引入了空間的概念，通常會用大量的傳感器分布在該區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行無線信號的接收。這些傳感器可以是指專門設(shè)置的接收天線，也可以是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的各個無線用戶終端。通過這些傳感器進(jìn)行無線環(huán)境的探測，可以區(qū)分無線信號在空間上的不同和差異。針對來自多個傳感器測量得到的多組接收信號，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)念l譜分析算法，即可得到對應(yīng)于特定空間、時間和頻段的干擾溫度估計(jì)值。將該干擾溫度估計(jì)量和設(shè)定的干擾溫度門限比較，若在連續(xù)的幾個時段內(nèi)均小于門限要求，即可認(rèn)為出現(xiàn)了“頻譜空洞”。

　　在認(rèn)知無線電中，頻譜檢測技術(shù)不僅僅在“頻譜空洞”的搜尋和判定中起關(guān)鍵作用，在系統(tǒng)的通信過程中，它還需要負(fù)責(zé)頻譜狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。對頻譜的監(jiān)測一方面可以搜集無線環(huán)境的統(tǒng)計(jì)資料，為高層的頻譜管理提供輔助；另一方面進(jìn)行的實(shí)時干擾溫度估計(jì)為系統(tǒng)的發(fā)射端進(jìn)行功率控制提供必要的參數(shù)支持。在某些情況下，監(jiān)測頻譜也能夠比較準(zhǔn)確地判定射頻信號碰撞事件，使認(rèn)知無線電系統(tǒng)能夠盡快進(jìn)行主動退避，避免過多地影響原有授權(quán)用戶的通信。

　　4.2 自適應(yīng)頻譜資源分配技術(shù)

　　為了解決頻譜資源的日益緊張和目前固定分配頻譜利用率較低的矛盾，就要求找到更有效的方法來充分感知和利用無線頻譜資源?；就緩接袃蓷l：其一，提高頻譜利用率，將已授權(quán)用戶的頻譜資源充分利用，減少浪費(fèi)；其二，提高系統(tǒng)通信效率，將已獲得的頻率資源和其他資源綜合優(yōu)化分配，進(jìn)而提高利用率。

　　由于正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)是目前公認(rèn)的比較容易實(shí)現(xiàn)頻譜資源控制的傳輸方式，該調(diào)制方式可以通過頻率的組合或裁剪實(shí)現(xiàn)頻譜資源的充分利用，可以靈活控制和分配頻譜、時間、功率、空間等資源，自適應(yīng)頻譜資源分配的關(guān)鍵技術(shù)主要有：載波分配技術(shù)、子載波功率控制技術(shù)、復(fù)合自適應(yīng)傳輸技術(shù)。

　　(1) 載波分配技術(shù)

　　認(rèn)知無線電具有感知無線環(huán)境的能力。通過對干擾溫度的測量，可以確定“頻譜空洞”。子載波分配就是根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)和服務(wù)質(zhì)量要求，分配一定數(shù)量的頻率資源。檢測到的“空洞”資源是不確定的，帶有一定的隨機(jī)性。OFDM系統(tǒng)具有裁剪功能，通過子載波(子帶)的分配，將一些不規(guī)律和不連續(xù)的頻譜資源進(jìn)行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配和利用。

　　(2) 子載波功率控制技術(shù)

　　認(rèn)知無線電中利用已授權(quán)頻譜資源的前提是不影響授權(quán)用戶的正常通信。為此，非授權(quán)用戶必須控制其發(fā)射功率，避免給其他授權(quán)用戶造成干擾。功率控制算法在經(jīng)典的“注水”算法的基礎(chǔ)上，有一系列的派生算法。這些算法追求的是功率控制的完備性和收斂性，既要不造成干擾又要使認(rèn)知無線電有較好的通過率，且達(dá)到實(shí)時性的要求。事實(shí)上功率控制算法和子載波分配算法是密不可分的。這是因?yàn)樵谂袛嗄匙虞d波是否可以使用時，就要對其歷史(授權(quán)狀況)和現(xiàn)狀(空間距離、衰落)做出判斷，同時還需要計(jì)算出可分配的功率大小。

　　(3) 復(fù)合自適應(yīng)傳輸技術(shù)

　　該技術(shù)將OFDM和認(rèn)知無線電思想以及一系列自適應(yīng)傳輸技術(shù)結(jié)合，從而達(dá)到無線電資源的合理分配和充分利用。為了尋求保證服務(wù)質(zhì)量和最大通過率下的最佳工作狀態(tài)，需綜合應(yīng)用動態(tài)子載波分配技術(shù)、自適應(yīng)子載波的功率分配技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及自適應(yīng)編碼技術(shù)等一系列自適應(yīng)技術(shù)，形成優(yōu)化的自適應(yīng)算法。根據(jù)子載波的干擾溫度，通過自適應(yīng)地調(diào)整通信終端的工作參數(shù)，從而達(dá)到最佳工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)合理的自適應(yīng)傳輸技術(shù)可以大幅提高頻譜資源利用率和通信性能。

　　4.3 認(rèn)知無線電下的頻譜管理

　　具有認(rèn)知無線電功能的無線用戶在非授權(quán)狀況下使用頻率，必將引起無線電管理部門的注意，并且必定會力求將這種對頻率的使用納入其管理之下。從提高頻譜利用效率的角度出發(fā)，不應(yīng)該壓制基于認(rèn)知功能的非授權(quán)頻譜使用。好的解決方法是改變頻譜管理思想和頻譜管理規(guī)則，使其適應(yīng)用戶的需求和技術(shù)的發(fā)展。
有研究者提出對頻譜劃分的新設(shè)想：依照頻譜應(yīng)用狀況以及干擾的影響，對頻譜劃分3個等級：嚴(yán)格分配管理(不可干擾)、在一定程度上可供非授權(quán)使用(可有一定干擾)、無限制的非授權(quán)使用。在現(xiàn)階段，絕大多數(shù)頻譜為第一等級，即按照嚴(yán)格分配來進(jìn)行管理，因而頻譜利用率較低。新的頻譜管理思想和規(guī)則應(yīng)該使第一等級頻譜所占的范圍縮小，第二和第三等級頻譜所占的范圍擴(kuò)大，以此來提高頻譜利用率。這樣將頻譜分為3部分，第一部分非授權(quán)用戶不可占用，第二部分可適當(dāng)占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是認(rèn)知無線電可利用的頻譜。目前各種基于認(rèn)知無線電的頻譜管理思想和管理規(guī)則仍在研究之中。

5 結(jié)束語

　　認(rèn)知無線電的核心思想就是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空洞”的能力。值得指出的是認(rèn)知無線電技術(shù)不但引起了學(xué)術(shù)界的相當(dāng)關(guān)注，工業(yè)界對如何將其應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)也產(chǎn)生了濃厚的興趣。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)認(rèn)知無線電技術(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 參考文獻(xiàn)

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