认知无线电关键技术及应用

　　近些年无线电通信技术领域引入无线接入技术，是迅速发展起来的新技术领域，不需要传输媒质，部分接入网甚至入网的全部皆可直接采用无线传播手段代替，无论是概念上还是技术含量上都产生了一个重大的飞跃，实现了降低成本、提高灵活性和扩展传输距离的目的。 认知无线电技术提出了一种新的解决思路，其思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用所发现的“空洞”的能力。虽然认知无线电技术能以更为灵活的方式来管理有限的频谱资源，但要真正将其应用于实际通信系统还需解决包括频谱检测、自适应频谱资源分配和无线频谱管理等关键技术问题。

　　1 认知无线电技术提出的背景

　　随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务(如电视广播业务等)需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段(LFB)以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多(大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用)。而相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。因此，可以得出这样的结论：基于目前的频谱资源分配方法，有相当一部分频谱资源的利用率是很低的。

　　为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。为此，人们提出了认知无线电的概念。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机(Opportunistic Way)”的方式工作在已授权的频段内。当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。认知无线电的思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。

　　当非授权通信用户通过“借用”的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证他的通信不会影响到其他已授权用户的通信。要做到这一点，非授权用户必须按照一定的规则来使用所发现的“频谱空洞”。在认知无线电中，这样的规则是以某种机器可理解的形式(如XML语言)加载到通信终端上。由于这些规则可以随时根据频谱的利用情况、通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，因此通过这些规则，频谱管理者就能以更为灵活的方式来管理宝贵的频谱资源。

　　2 认知无线电的历史和概念

　　认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作，其思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。CR的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行实时响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。这样，CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。随着许多CR相关研究的展开，对CR技术存在多种不同的认识。典型的一类是围绕Mitola博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)是CR实现的理想平台。

　　认知无线电的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行实时响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。这样，CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。随着许多CR相关研究的展开，对CR技术存在多种不同的认识。典型的一类是围绕Mitolo博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)是CR实现的理想平台。 由此可以总结出认知无线电所具有的特点是：

　　*对环境的感知能力

　　*对环境变化的学习能力

　　*对环境变化的自适应性

　　*通信质量的高可靠性

　　*对频谱资源的充分利用

　　*系统功能模块的可重构性

　　针对CR研究中存在的多种描述，美国FCC提出了CR的一个相当简化的版本。他们在FCC-03322中建议任何具有自适应频谱意识的无线电都应该被称为认知无线电CR。FCC更确切地把CR定义为基于与操作环境的交互能动态改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能。CR是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户(主用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。无线电环境中的无线信道和干扰是随时间变化的，这就暗示CR将具有较高的灵活性。目前，CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等。 　　美国联邦通信委员会(FCC)2003年12月就相当于美国《电波法》的《FCC规则第15章(FCC rulePart15)》，公布了修正案，明确只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带。FCC在推进智能无线技术的同时还将放宽有关限制。

　　针对认知无线电，美国国防部提出下一代无线通信(XG)的项目，2004年该项目进入第三个研究阶段，投资1 700万美元，预计在2006年底完成第三阶段的研究。该项目将研制和开发频谱捷变无线电(Spectrum Agile Radios)，这些无线电台在使用法规的范围内，可以动态自适应变化的无线环境，在不干扰其他正常工作无线电台的前提下，可以使接入的频谱范围扩大近10倍。

　　3 认知无线电的应用场景

　　考虑一个工作在非授权频段(如免授权国家信息基础设施频段)的无线通信终端(遵循Wi-Fi规范)。在其工作的免授权国家信息基础设施(U-NII)频段，通信业务非常繁忙(近乎达到饱和状态)。这样的工作频段已无法满足其他通信终端新的业务请求。鉴于这种情况，频谱管理机构(如FCC)将选择利用率较低的其他已授权频段(如电视广播频段中若干未被使用的频谱资源)。这样的频段可以被暂时用来支持非授权频段上那些未能接入其系统的通信业务。为此，频谱管理机构将生成一套使用已授权频段的法规(这些法规将指导并约束着非授权用户去合理地使用授权频段)。这些法规由频谱管理机构以某种机器可以理解的方式发布。

　　具有认知无线电功能的非授权用户定期地搜索并相应的频谱使用法规。获得的频谱使用法规之后，非授权用户将根据这些法规，对自身的通信机制进行调整(通信机制可能包括：工作的频段、发射功率、调制解调方式以及多址接入策略等)。为了使周边的通信终端尽快获得更新了的法规，获得法规的终端还将其所获得的法规广播出去。当然，对那些不具备认知无线电能力的通信终端来说，这样的广播信息将被忽略。

　　对于具有认知能力的通信终端，除了获得的频谱使用规则外，另外一项很重要的工作就是完成对“频谱空洞”的检测。对“频谱空洞”的检测实际上就是完成对周边通信环境的认知。根据检测到的“频谱空洞”的特性(如“空洞”的带宽等)和获得的频谱使用法规，通信终端产生出合理使用该“空洞”的具体行为。

　　以工作在非授权频段的无线局域网通信终端为例，可以说明认知无线电的可能的应用场景。当然，从认知无线电的定义可以看出认知无线电的概念涵盖面极宽，其应用场景绝不仅限于此。

　　认知无线电技术在宽带无线通信系统中有着广泛的用途。基于IEEE 802.11b/g和IEEE 802.11a的无线局域网设备工作在2.4 GHz和5 GHz的不需授权的频段上。然而在这个频段上，可能受到包括蓝牙设备、HomeRF设备、微波炉、无绳电话以及其他一些工业设备的干扰。具有认知功能的无线局域网可以通过接入点对频谱的不间断扫描，从而识别出可能的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，自适应地选择的通信信道。另外，具有认知功能的接入点，在不间断正常通信业务进行的同时，通过认知模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，从而可以尽快地发现非法的恶意攻击终端。这样的技术可以进一步增强通信网络的安全性。同样，将这样的认知技术应用在其他类型的宽带无线通信网络中也会进一步提高系统的性能和安全性。

　　4 认知无线电的关键技术

　　4.1 频谱检测技术

　　频谱空洞是指分配给授权用户但在一定的时问和具体的位置该授权用户没有使用的频谱。如果将待检测的频谱分成三种情况：黑色区域，常被高能量的局部干扰所占用：灰色区域，有部分时间被低能量干扰所占用；白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰占用。一般情况下，白色区域和有限度的灰色区域可被等待的用户所使用。频谱检测的任务就是寻找合适的频谱空洞并反馈至发送端进行频谱管理和功率控制。在CR系统中，频谱检测不仅对频谱空洞的检测起决定作用，同时也对频谱状态进行监测。典型的频谱检测技术有两种：一种是基于发射机的能量检测，另一种是基于接收机

　　如果将待查的频段分为3种不同的情况：黑空，存在高功率的干扰；灰空，存在低功率的干扰；白空：仅存在环境噪声量，包括热噪声、瞬时反射、脉冲噪声等。那么频谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的白空，同时对工作频段在黑空(或灰空)和白空之间的转变进行监测。

　　在认知无线电技术中，进行频谱检测即对所观察的频段进行干扰温度的估计。干扰温度可以看作是频段内的干扰功率谱密度，它的设定是用来量化和管理无线环境中的干扰问题。针对经过谱估计得到的干扰温度，可以给出干扰温度界限。通过干扰温度界限可以对观测的“频谱空洞”进行选择，超过界限的干扰或其他噪声都是不符合通信要求的频谱。

　　通常在接收端进行干扰温度的测量，并搜寻“频谱空洞”，将获得的信息通过系统预设的反馈信道传送至发送端，并据此进行发射功率控制处理和动态频谱管理；在发射端和接收端也可以采用自适应的波束成型技术，进一步补充的干扰控制。

　　在认知无线电感知无线环境的工作中，如何进行高效的无线频谱估计和分析是关键技术之一。频谱分析是一项相对比较成熟的数字信号处理技术，经过了多年的发展，形成了众多各具特色的算法和理论。在认知无线电技术中，可以利用这些已有的算法进行无线环境的观测。当然，由于认知无线电的特殊性质，需要在一定通信区域空间领域、较宽的频域、以及时域进行频谱分析，这就要求对众多频谱分析算法进行合适的选取和改动。

　　认知无线电技术中通常采用的频谱分析算法是多窗谱估计算法。该算法使用多个离散扁球体序列作为正交窗函数。经过这种窗函数滤波后的信号在有限采样点时的傅氏变换具有的能量集中特性，是一种接近的方法。这种特性使得在降低频谱估计的方差时不会影响估计的偏差，因而具有较好的计算性能和应用价值。

　　在认知无线电领域进行干扰温度估计时，为了能够更好地感知待测区域内的干扰温度，在频谱分析算法中引入了空间的概念，通常会用大量的传感器分布在该区域内，进行无线信号的接收。这些传感器可以是指专门设置的接收天线，也可以是认知无线电系统的各个无线用户终端。通过这些传感器进行无线环境的探测，可以区分无线信号在空间上的不同和差异。针对来自多个传感器测量得到的多组接收信号，经过恰当的频谱分析算法，即可得到对应于特定空间、时间和频段的干扰温度估计值。将该干扰温度估计量和设定的干扰温度门限比较，若在连续的几个时段内均小于门限要求，即可认为出现了“频谱空洞”。

　　在认知无线电中，频谱检测技术不仅仅在“频谱空洞”的搜寻和判定中起关键作用，在系统的通信过程中，它还需要负责频谱状态的实时监测。对频谱的监测一方面可以搜集无线环境的统计资料，为高层的频谱管理提供辅助；另一方面进行的实时干扰温度估计为系统的发射端进行功率控制提供必要的参数支持。在某些情况下，监测频谱也能够比较准确地判定射频信号碰撞事件，使认知无线电系统能够尽快进行主动退避，避免过多地影响原有授权用户的通信。

　　4.2 自适应频谱资源分配技术

　　频谱管理又称频谱分配，CR系统采用动态频谱分配(DSA)方案。目前CR技术的DSA研究主要是基于频谱池(Spectrum Pooling)这一策略，其基本思想是将一部分用于不同业务的频谱合成一个公共的频带，并将整个频带划分为若干个子信道。基于频谱池策略的DSA主要目的是信道利用率的化，同时考虑用户接入的公平性。F．Caper等人提出了一种智能的动态DSA方式，该方式的思路是：CR在各个频段连续地检测是否有授权用户，如果检测到授权用户在使用频段，非授权用户暂时不得使用该频段；反之，非授权用户可以使用该频段。如果非授权用户在工作中发现授权用户开始使用这个频段，则立刻让出该频段，切换到其他合适的频段继续工作。这种方法使授权用户拥有的频谱使用优先权，优先级较低的用户可以和授权用户分时段共享频谱，以达到频谱资源的充分利用。

　　由于正交频分复用(OFDM)系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式，该调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率、空间等资源，自适应频谱资源分配的关键技术主要有：载波分配技术、子载波功率控制技术、复合自适应传输技术。

　　(1) 载波分配技术

　　认知无线电具有感知无线环境的能力。通过对干扰温度的测量，可以确定“频谱空洞”。子载波分配就是根据用户的业务和服务质量要求，分配一定数量的频率资源。检测到的“空洞”资源是不确定的，带有一定的随机性。OFDM系统具有裁剪功能，通过子载波(子带)的分配，将一些不规律和不连续的频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，实现资源的合理分配和利用。

　　(2) 子载波功率控制技术

　　认知无线电中利用已授权频谱资源的前提是不影响授权用户的正常通信。为此，非授权用户必须控制其发射功率，避免给其他授权用户造成干扰。功率控制算法在经典的“注水”算法的基础上，有一系列的派生算法。这些算法追求的是功率控制的完备性和收敛性，既要不造成干扰又要使认知无线电有较好的通过率，且达到实时性的要求。事实上功率控制算法和子载波分配算法是密不可分的。这是因为在判断某子载波是否可以使用时，就要对其历史(授权状况)和现状(空间距离、衰落)做出判断，同时还需要计算出可分配的功率大小。

　　(3) 复合自适应传输技术

　　该技术将OFDM和认知无线电思想以及一系列自适应传输技术结合，从而达到无线电资源的合理分配和充分利用。为了寻求保证服务质量和通过率下的工作状态，需综合应用动态子载波分配技术、自适应子载波的功率分配技术、自适应调制解调技术以及自适应编码技术等一系列自适应技术，形成优化的自适应算法。根据子载波的干扰温度，通过自适应地调整通信终端的工作参数，从而达到工作状态。设计合理的自适应传输技术可以大幅提高频谱资源利用率和通信性能。

　　4.3 认知无线电下的频谱管理

　　具有认知无线电功能的无线用户在非授权状况下使用频率，必将引起无线电管理部门的注意，并且必定会力求将这种对频率的使用纳入其管理之下。从提高频谱利用效率的角度出发，不应该压制基于认知功能的非授权频谱使用。好的解决方法是改变频谱管理思想和频谱管理规则，使其适应用户的需求和技术的发展。

　　有研究者提出对频谱划分的新设想：依照频谱应用状况以及干扰的影响，对频谱划分3个等级：严格分配管理(不可干扰)、在一定程度上可供非授权使用(可有一定干扰)、无限制的非授权使用。在现阶段，绝大多数频谱为等级，即按照严格分配来进行管理，因而频谱利用率较低。新的频谱管理思想和规则应该使等级频谱所占的范围缩小，第二和第三等级频谱所占的范围扩大，以此来提高频谱利用率。这样将频谱分为3部分，部分非授权用户不可占用，第二部分可适当占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是认知无线电可利用的频谱。目前各种基于认知无线电的频谱管理思想和管理规则仍在研究之中。

　　5 结束语

　　CR技术是继软件无线电(SDR)之后无线通信技术的“下一件大事”(Next Big Thing)，受到人们的极大关注，目前对于它的研究还处于初始阶段，但在无线通信领域的发展前景十分诱人。虽然CR技术具有独特的优势，但是其技术远不够成熟，还有很多难题需要解决，作者认为今后的研究工作应重点关注以下方面：

　　由于cR是动态的利用频谱，所以加强CR的灵活性十分必要，将多输入多输出(MIMO)技术引入CR技术中，可以有效地提高CR频谱利用的灵活性“”；CR技术的协议很不完善，需要设计专门的协议，比如说设计专门的路由协议用于流量控制和拥塞控制，特别是跨层协议的设计；另外CR技术需要强大的重配置能力，重配置能力是指在传输过程中无需修改硬件部分就能调节工作参数，这种能力使得cR可以很容易地适应动态的无线环境，但是目前的硬件技术还满足不了这种需求。