認(rèn)知無線電：原理、技術(shù)與發(fā)展趨勢

　　摘要：認(rèn)知無線電是指具有自主尋找和使用空閑頻譜資源能力的智能無線電技術(shù)。認(rèn)知無線電技術(shù)的提出，為解決不斷增長的無線通信應(yīng)用需求與日益緊張的無線頻譜資源之間的矛盾提供了一種有效的解決途徑。當(dāng)前，認(rèn)知無線電技術(shù)從理論到實(shí)踐都面臨很多困難。文章簡述了認(rèn)知無線電的基本原理，對認(rèn)知無線電涉及的射頻、頻譜感知和數(shù)據(jù)傳輸?shù)任锢韺雍诵年P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析，并結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r對該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

　　隨著無線通信需求的不斷增長，對無線通信技術(shù)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高。根據(jù)香農(nóng)信息理論，這些通信系統(tǒng)對無線頻譜資源的需求也相應(yīng)增長，從而導(dǎo)致適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無線通信發(fā)展的新瓶頸。另一方面，已經(jīng)分配給現(xiàn)有很多無線系統(tǒng)的頻譜資源卻在時間和空間上存在不同程度的閑置。因此，人們提出采用認(rèn)知無線電(CR)技術(shù)，通過從時間和空間上充分利用那些空閑的頻譜資源，從而有效解決上述難題。

　　這一思想在2003年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的《關(guān)于修改頻譜分配規(guī)則的征求意見通知》中得到了充分體現(xiàn)，該通知明確提出
采用CR技術(shù)作為提高頻譜利用率的技術(shù)手段。此后，CR技術(shù)受到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，成為了無線通信研究和市場發(fā)展的新熱點(diǎn)。然而，CR技術(shù)從理論到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，還面臨很多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括了技術(shù)、政策和市場等諸多方面。本文從技術(shù)的角度，總結(jié)分析CR的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)，并對將來技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。

　　1 認(rèn)知無線電基本原理

　　1.1 認(rèn)知無線電的概念與特征

　　自1999年“軟件無線電之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系統(tǒng)地闡述了CR的基本原理以來，不同的機(jī)構(gòu)和學(xué)者從不同的角度給出了CR的定義[1-3]，其中比較有代表性的包括FCC 和著名學(xué)者Simon Haykin教授的定義。FCC認(rèn)為：“CR是能夠基于對其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無線電”[4]。Simon Haykin則從信號處理的角度出發(fā)，認(rèn)為：“CR是一個智能無線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化，以達(dá)到以下目的：任何時間任何地點(diǎn)的高度可靠通信；對頻譜資源的有效利用。”

　　總結(jié)上述定義，CR應(yīng)該具備以下2個主要特征：

　　(1) 認(rèn)知能力

　　認(rèn)知能力使CR能夠從其工作的無線環(huán)境中捕獲或者感知信息，從而可以標(biāo)識特定時間和空間的未使用頻譜資源(也稱為頻譜空洞)，并選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。這一任務(wù)通常采用圖1所示的認(rèn)知環(huán)進(jìn)行表示，包括3個主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測可用頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析估計頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性；頻譜判決根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

　　(2) 重構(gòu)能力

　　重構(gòu)能力使得CR設(shè)備可以根據(jù)無線環(huán)境動態(tài)編程，從而允許CR設(shè)備采用不同的無線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)?？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。

　　重構(gòu)的核心思想是在不對頻譜授權(quán)用戶(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。一旦該頻段被LU使用，CR有2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，但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案避免對LU的有害干擾。

　　1.2 認(rèn)知無線電與軟件無線電之間的關(guān)系

　　為了便于理解CR的基本原理，有必要將CR與軟件無線電(SDR)進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(IEEE)的定義，一個無線電設(shè)備可以稱為SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號處理通過使用數(shù)字信號處理軟件完成；這些軟件可以在出廠后修改[5-11]。

　　因此，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)。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。

　　2 認(rèn)知無線電物理層關(guān)鍵技術(shù)

　　通用的CR收發(fā)機(jī)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)。

    2.1 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(jìn)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(dá)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(qiáng)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?yàn)V波來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號濾出。

　　2.2 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(jìn)行分類。單節(jié)點(diǎn)感知是指單個CR節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進(jìn)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(diǎn)的感知結(jié)果將進(jìn)行綜合判決。

　　單節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用時通常結(jié)合使用。

　　檢測算法適用范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)匹配濾波CR節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶信號的信息檢測時間短需要先
驗(yàn)信息能量檢測CR節(jié)點(diǎn)不知道授權(quán)用戶的信號信息實(shí)現(xiàn)簡單，不需要先驗(yàn)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(diǎn)感知來說，要達(dá)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(diǎn)間的協(xié)作達(dá)到系統(tǒng)要求的檢測門限，從而降低對單個檢測節(jié)點(diǎn)的要求，降低單個節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。協(xié)同頻譜感知的另一個優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行。集中式協(xié)同感知是指各個感知節(jié)點(diǎn)將本地感知結(jié)果送到基站（BS）或接入點(diǎn)（AP）統(tǒng)一進(jìn)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(diǎn)間相互交換感知信息，各個節(jié)點(diǎn)獨(dú)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(diǎn)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(diǎn)的相關(guān)性和單個節(jié)點(diǎn)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(jìn)行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶的位置，目前尚面臨很多問題。

　　2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

　　數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對于CR實(shí)現(xiàn)利用空閑頻譜進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)。例如，在進(jìn)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(hù)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

　　OFDM技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)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(kuò)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(shí)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。

　  3 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(jī)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項(xiàng)目、美國軍方DARPA的XG項(xiàng)目、歐盟的E2R項(xiàng)目等。在這些項(xiàng)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(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。

　　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(shí)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(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)開發(fā)。目前，已經(jīng)有多個試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)正在開發(fā)中，這些系統(tǒng)的開發(fā)成功，將為驗(yàn)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(shí)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。

　　4 結(jié)束語

　　認(rèn)知無線電的提出，為從根本上解決日益增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源之間的矛盾開辟了一條行之有效的解決途徑，是未來無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，正逐漸通過標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。然而，認(rèn)知無線電技術(shù)從概念到應(yīng)用尚面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，這也使其成為了近年來無線通信研究的熱點(diǎn)。

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