基于認(rèn)知無線電技術(shù)及其運(yùn)用研究

楊瀏

摘 要：隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，無線用戶逐漸增多，這使得原本寬松的頻譜資源越來越緊張。而認(rèn)知無線電技術(shù)給出一種全新的頻率資源綜合利用思路，大大提高頻譜資源的利用率。首先介紹認(rèn)知無線電技術(shù)的基本概念，接著分析認(rèn)知無線電技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和目前的運(yùn)用情況。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電； 關(guān)鍵技術(shù)； 頻譜資源； 分布式感知

中圖分類號(hào)：TN92-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0051-03

Cognitive Radio Technology and Its Application

YANG Liu

(State Radio Monitoring Center of Chengdu Stations, Chengdu 611136, China)

Abstract： The wireless users are gradually increased with development of technology and growth of people′s living stan-dards, which reduces the spectrum resources. The cognitive radio technology gives a new idea of the comprehensive utilization of frequency resources for greatly improving the utilization of spectrum resources. The basic concepts of cognitive radio technology is introduced, the usage of key technologies and the current situation of cognitive radio technology are analyzed.

Keywords： cognitive radio; key technology; spectrum resources; distributed cognition

0 引 言

近年來，無線通信技術(shù)發(fā)展迅猛，無線電用戶也迅猛增加，看似取之不盡的頻譜資源卻變得無比稀缺。頻譜資源稀缺的根本原因是傳統(tǒng)的分配機(jī)制存在缺陷，固定的頻譜分配機(jī)制大大限制了頻譜的使用率。認(rèn)知無線電技術(shù)的提出，為這一問題的解決提供了很好的方法。認(rèn)知無線電最早由瑞典的Joseph博士提出，是對(duì)軟件無線電的進(jìn)一步擴(kuò)展，其核心思想是充分利用沒有被用戶使用的頻譜資源，對(duì)閑置的頻譜資源進(jìn)行檢測(cè)，以進(jìn)行運(yùn)用。

對(duì)于認(rèn)知無線電的解釋眾多，比較有代表性的有Mitola理論和FCC理論。其中Mitola理論認(rèn)為，認(rèn)知無線電可以保證個(gè)人的無線控制器(PDA)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全，智能地偵測(cè)到用戶的通信需求，并為其提供最為適合的無線電資源。作為軟件無線電的一種,它結(jié)合了多種功能，包括應(yīng)用軟件、界面和認(rèn)知等。與Mitola觀點(diǎn)相左，F(xiàn)CC認(rèn)為，認(rèn)知無線電可以與其運(yùn)行環(huán)境發(fā)生交互作用，從而改變其發(fā)射機(jī)參數(shù)。目前，這一定義獲得的認(rèn)可度比較高。

1 認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)

認(rèn)知無線電技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)琜1]有動(dòng)態(tài)頻譜管理和頻譜感知技術(shù)。奈曼-皮爾遜準(zhǔn)則(Neyman-Pearson criterion)是信號(hào)檢測(cè)中常用的判決準(zhǔn)則之一，也是認(rèn)知無線電中評(píng)價(jià)感知性能的主要準(zhǔn)則。根據(jù)這個(gè)檢測(cè)依據(jù)，可以將認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)分為兩種，即基于能量的檢測(cè)和基于特征的檢測(cè)。

1.1 基于能量的檢測(cè)

基于能量的檢測(cè)對(duì)被檢測(cè)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)要求不高，只需比較少的被檢測(cè)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)便可進(jìn)行。檢驗(yàn)接收信號(hào)y(n)滿足以下假設(shè)：

H0:y(n)=ω(n)

H1:y(n)=x(n)+ω(n)

式中:x(n)為首要用戶信號(hào);ω(n)為噪聲信號(hào)。這樣接收信號(hào)的能量估計(jì)為：

T=BM∑Mn=1y(n)y(n)*

如果T>Tthereshold，則認(rèn)為H1假設(shè)成立，首要用戶信號(hào)即出現(xiàn)，否則則認(rèn)為無首要用戶信號(hào)［2］。

1.2 基于特征的檢測(cè)

基于特征的檢測(cè)方式是基于信號(hào)的有關(guān)特征進(jìn)行的，包括簡單的頻譜相關(guān)性感知和基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)特征的感知。前者通過對(duì)預(yù)存信號(hào)頻譜與接收信號(hào)頻譜的相關(guān)運(yùn)算進(jìn)行感知。后者是依據(jù)無線電信號(hào)所普遍具有的循環(huán)平穩(wěn)性而展開的，其可以用普相關(guān)函數(shù)(SCF)來表示，即在離散的情況下，有：

SαxT(f)Δt=1Δt∫Δt/2－Δt/21TXT(t,f+α/2)X*T(t,f－a/2)dt

這樣，通過檢測(cè)SCF的峰值并搜索循環(huán)頻率的關(guān)系，便可以確定是否出現(xiàn)授權(quán)用戶。這種檢測(cè)方式操作起來非常簡單，不需要事先知道與被檢測(cè)信號(hào)調(diào)制參數(shù)相關(guān)的信息，并且可以減少信號(hào)接收過程中的不確定性，對(duì)噪聲不確定性不敏感，還能夠有效抑制其間的噪聲變化。研究顯示，循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)性能在低信噪比的情況下，比能量檢測(cè)器更加優(yōu)越?；谛盘?hào)符號(hào)構(gòu)成的感知主要應(yīng)用在具體的系統(tǒng)當(dāng)中，可針對(duì)被檢測(cè)信號(hào)的具體特征加以設(shè)計(jì)。

目前運(yùn)用比較廣泛的是分布式感知。多單一檢測(cè)器的檢測(cè)性能不太穩(wěn)定，容易受徑衰落和陰影衰落的影響。對(duì)于所有的檢測(cè)器來說，其位于深衰落的概率都非常低，因此，研究者多數(shù)均偏好運(yùn)用此種感知方法來減少對(duì)單一檢測(cè)器的依賴，增強(qiáng)檢測(cè)的可靠性。根據(jù)帶寬的需求和檢測(cè)器提供的結(jié)果類型，可以將分布感知?jiǎng)澐譃槿悾?/p>

(1) 用來交換檢測(cè)決策的窄帶控制信道。窄帶控制信道的功能非常強(qiáng)大，在較低信噪比情況下，能夠有效的提高能量檢測(cè)器的檢測(cè)性能。

(2) 用于類似循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)器的檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)恼瓗Э刂菩诺?。其傳輸?shù)牟皇菃渭兊臎Q策信息，通過交換檢測(cè)結(jié)果的摘要，可嚴(yán)格避免傳輸大量的原始數(shù)據(jù)。

(3) 寬帶控制信道，這種信道的信息處理功能非常全面，能交換完整的原始數(shù)據(jù)，并能提供非常全面的信息，據(jù)此能夠進(jìn)行更加復(fù)雜的檢測(cè)。

從檢測(cè)概率和可靠性方面考慮，分布式感知更有優(yōu)勢(shì)；但在效率層面上，即降低首要用戶檢測(cè)的時(shí)間方面，協(xié)作感知(Cooperative Sensing)則表現(xiàn)更加突出。然而，目前受多方面因素制約，對(duì)協(xié)作感知的研究還比較少［3］。

與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的另外一種關(guān)鍵性技術(shù)是動(dòng)態(tài)頻譜分配，又稱為動(dòng)態(tài)頻譜管理。頻譜分配是通過一個(gè)自適應(yīng)策略對(duì)頻譜資源進(jìn)行有效利用的手段，其可以提高無線通信的靈活性，使資源得以有效且公平的配置，減少主要用戶和次要用戶之間的沖突，為其共享頻譜提供平臺(tái)。以無線電頻譜感知為基礎(chǔ)的認(rèn)知無線電的動(dòng)態(tài)頻譜管理可以通過頻譜共享池策略，達(dá)到共享信道的目的［4］。

2 認(rèn)知無線電技術(shù)的運(yùn)用范圍

認(rèn)知無線電技術(shù)運(yùn)用琜1]廣泛，表現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 在與認(rèn)知無線電技術(shù)密切相關(guān)的超寬帶(UWB)系統(tǒng)中的應(yīng)用。UWB技術(shù)一直以來都被認(rèn)為是未來多媒體寬帶無線通信領(lǐng)域中最具成長前景的技術(shù)，2002年FCC將信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25％或者中心頻率大于500 MHz的帶寬定義為超寬帶。之后，UWB技術(shù)在激烈的競爭中謀求發(fā)展，其間出現(xiàn)了兩個(gè)提議，即我們熟悉的直接序列UWB方案和多頻帶OFDM-UWB方案。

(2) 在近幾年才出現(xiàn)的全新的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)中的應(yīng)用。Mesh具有無線多跳(Multi-hop)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都都可以與一個(gè)或多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)直接通信，能夠快速發(fā)送和接收信息，且具有接入方便、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)越來越密集，人們對(duì)其服務(wù)的吞吐量大小要求更高的今天，無線電Mesh網(wǎng)的處理能力和速度需要進(jìn)一步進(jìn)行提升才能順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。CR技術(shù)能夠提高頻譜的利用效率，且與無線Mesh網(wǎng)的結(jié)合可以應(yīng)用于人口稠密的大城市的無線寬帶接入。當(dāng)一個(gè)無線Mesh網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)由固定中繼點(diǎn)和認(rèn)知接入點(diǎn)組合而成時(shí)，其覆蓋范圍便能大大增加。

(3) 在WRAN中的應(yīng)用。 IEEE 802.22工作組于2004年11月成立，無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WRAN)是其另外的稱謂，WRAN的工作原理是利用CR技術(shù)將分配給廣播電視的VHF/UHF頻帶作為寬帶接入信道。這一系統(tǒng)定義了一種點(diǎn)到多點(diǎn)的無線電空中接口?；贑R基站進(jìn)行小區(qū)內(nèi)部的認(rèn)知用戶的自我管理，指由于每一個(gè)認(rèn)知用戶為了找到空閑的頻道資源，都會(huì)對(duì)所有的TV頻道進(jìn)行掃描，然后將這些頻道所占用的信息發(fā)送到基站端，隨后由其對(duì)頻譜資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管理，將可用信道作為無線寬帶接入使用。

(4) 在WLAN中的應(yīng)用。雖然IEEE 802.11a和IEEE 802.11b/g兩者的無線局域網(wǎng)設(shè)備均工作在2.4 GHz和5.8 GHz的頻段內(nèi)。但是在這段不需要授權(quán)的頻段上，其極有可能會(huì)遭受到HomeRF設(shè)備、無線電話、藍(lán)牙等工業(yè)設(shè)備的干擾。CR技術(shù)能進(jìn)一步加強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能和安全性。

(5) 在多入多出(MIMO)系統(tǒng)中的應(yīng)用。認(rèn)知無線電的運(yùn)用非常廣泛，在無線通信的許多新的研究領(lǐng)域均有所涉及。認(rèn)知MIMO技術(shù)與認(rèn)知無線電的聯(lián)合，可以利用載波的頻率及復(fù)用的增益的兩種靈活性使無線通信系統(tǒng)的頻譜效率得以顯著提高，這也是對(duì)其加以運(yùn)用的主要目標(biāo)。

(6) 在礦井通信中的運(yùn)用。認(rèn)知無線電在煤礦無線通信中的運(yùn)用具有以下優(yōu)勢(shì)：

可提高系統(tǒng)容量，認(rèn)知無線電的功能非常全面，其能夠根據(jù)井下的實(shí)際情況對(duì)頻譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配，改變傳統(tǒng)的井下無線通信安裝之后對(duì)工作頻率和方式進(jìn)行固化的弊端。此外，由于礦井中巷道多且復(fù)雜，工作面和介質(zhì)，乃至工作地形等環(huán)境均呈動(dòng)態(tài)分布，普通的技術(shù)難以對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的分析，而認(rèn)知無線電還可以根據(jù)同一礦井中的復(fù)雜環(huán)境對(duì)傳輸參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的選擇，且針對(duì)井下語音通信困難問題，通過將頻譜利用率提高10倍,以克服通信困難，并可以使實(shí)時(shí)圖像信息的傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能順利實(shí)現(xiàn)。

衡量通信可靠性的重要指標(biāo)之一是提高系統(tǒng)抗干擾的能力。與地面不同，礦井的環(huán)境非常復(fù)雜，因此，電磁干擾的耦合和傳播會(huì)嚴(yán)重干擾單一、固定的通信方式，大大降低其通信效果，甚至阻礙信號(hào)的傳輸，導(dǎo)致通信失敗。而認(rèn)知無線電能夠有效沖破以上阻礙，通過感知、學(xué)習(xí)和分析環(huán)境中的電磁信息，進(jìn)而選擇采用最適合傳輸?shù)木幋a方式，在此過程中通過對(duì)發(fā)射功率和工作頻率等參數(shù)的調(diào)整,來減小通信過程中可能產(chǎn)生的電磁干擾，以達(dá)到提高通信效果的目的［5-6］。

3 結(jié) 語

認(rèn)知無線電是可以感知外部通信環(huán)境的一種智能化通信系統(tǒng)。認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以通過學(xué)習(xí)，不停地感知外界的電磁環(huán)境變化，并通過自適應(yīng)調(diào)整其自身內(nèi)部的通信機(jī)理來達(dá)到對(duì)電磁環(huán)境變化的適應(yīng)。這種自適應(yīng)的調(diào)整，一是為了提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，二是為了提高電磁頻譜資源的利用率［7］。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文