淺談通信系統(tǒng)中的認知無線電技術

萬寧坤

德國的卡爾斯魯爾大學（Uni.Karlsruhe）的F.K.Jondral教授所領導的研究組對頻譜池系統(tǒng)進行了深入研究。研究應用場景主要集中在OFDM無線局域網(wǎng)與GSM網(wǎng)絡的頻譜資源動態(tài)共享。中心思想是將授權系統(tǒng)未充分利用的頻譜資源集中起來構建一個頻譜池，作為動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的備用資源，由一個實體統(tǒng)一管理資源的分配[4]。

2）美國加州大學Berkeley分校研究組開發(fā)的CORVUS系統(tǒng)

CORVUS系統(tǒng)中，認知用戶被分成不同的組，組內(nèi)的認知用戶通信可以采用中心式的結構，也可采用分布式的結構，存在兩種通信通道，一種是信令控制通道，用來建立新認知用戶的連接；另一種是組內(nèi)認知用戶通信信道，用于各SU交換頻譜感知信息和進行數(shù)據(jù)通信等[5]。

3）歐洲的E2R項目

研究通過端到端重配置網(wǎng)絡和軟件無線電技術將未來不同類型的無線網(wǎng)絡融合起來，為用戶、服務提供商、管理者提供更多可選服務的系統(tǒng)。E2R項目通過動態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃管理、高級頻譜管理及聯(lián)合資源管理這三個方面來實現(xiàn)其預期的目標[6]。

4）Defense Advanced Research Projects Agency XG項目

美國國防部高級研究計劃署也開展了CR技術研究，資助的下一代XG項目主要開發(fā)提供擇機頻譜接入的技術和開發(fā)通過靈活的政策應用管理無線行為關鍵方面的長期管理框架。主要目標是使得美國軍用通信設備可以檢測環(huán)境變化，并根據(jù)對環(huán)境的檢測結果來選擇可用頻譜。

5）IEEE802.22工作組

該工作組研究包括感知無線電在內(nèi)的頻譜管理政策。IEEE 802.22技術是認知無線電技術在無線區(qū)域內(nèi)的具體應用。它的特點是VHF/UHF頻段內(nèi)，不干擾授權用戶的情況下，靈活、自適應的頻譜的合理配置。在IEEE 802.22系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對授權用戶保護，提出工作信道內(nèi)和工作信道內(nèi)感知機制[7]。

與國外相比，中國的認知無線電技術雖然起步較晚，但也受到了社會各界的高度重視。北京郵電大學是中國認知無線電技術研究得最多和最早的機構，另外電子科大、浙江大學、清華大學等很多學校也對認知無線電技術有深入的研究。

2.關鍵技術研究及應用

2.1 關鍵技術研究

認知無線電的最大優(yōu)勢就是無線用戶可以通過該技術實現(xiàn)“頻譜共享”，其核心思想是通過檢測哪些頻譜處于空閑狀態(tài)，在不影響授權用戶的前提下智能地選擇和利用這些空閑頻譜，從而提高頻譜的利用率。下面對CR的關鍵技術做一簡要陳述[8]。

2.1.1 頻譜檢測

頻譜檢測是實現(xiàn)頻譜自適應、乃至動態(tài)頻譜共享的關鍵點，是認知無線電實現(xiàn)的難點所在。認知無線電中的頻譜檢測需要達到兩個要求：對無線傳輸環(huán)境具有高度的適應能力和認知無線電系統(tǒng)自身效率的要求。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。頻譜檢測的任務就是尋找合適的頻譜空洞并反饋至發(fā)送端進行頻譜管理和功率控制[9]。

1）能量檢測

能量檢測不需要知道授權用戶的先驗信息，實現(xiàn)上非常簡單，只需測量頻域或時域上一段觀測空間內(nèi)接收信號的總能量來判決是否有授權用戶出現(xiàn)，是目前應用最廣的一種頻譜檢測方式[10]。

2）循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法

由于調制信號在均值和自相關等統(tǒng)計參數(shù)方面具有循環(huán)平穩(wěn)特性，

而噪聲不具有這一特性，利用信號的循環(huán)平穩(wěn)特性可以檢測噪聲背景下的授權用戶信號。在通信中，有用信號一般受人工周期信號的調制，有潛在的周期性，而噪聲沒有這個特性，此方法就是利用這個特點進行檢測的，比較適合于噪聲環(huán)境中[11]。

3）干擾溫度檢測

干擾溫度是接受天線處射頻功率（發(fā)射機和噪聲源產(chǎn)生的信號功率）的一種度量。針對估計得到的干擾溫度，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”進行選擇，超過界限的干擾或其它噪聲都是不符合通信要求的頻譜。

2.1.2 頻譜管理

頻譜管理又稱頻譜分配，CR 系統(tǒng)采用動態(tài)頻譜分配方案。頻譜管理包括了頻譜分析和頻譜決定功能，主要目的是提供認知無線電能在所有檢測到的可用頻譜中間，選取最合適的頻譜來滿足應用的QoS需求的能力，并實現(xiàn)一個有效的，高效的利用頻譜的自適應策略。

2.1.3 功率控制

功率控制是指在一定范圍內(nèi)，用無線方式來改變移動臺或基站（或兩者）的傳輸功率。它的目的是為了減少整個系統(tǒng)的干擾，提高頻譜利用率。功率控制能保證每個用戶所發(fā)射功率到達基站礎保持最小，既能符合最低的通信要求，同時又避免對其他用戶信號產(chǎn)生不必要的干擾。功率控制的作用是減少系統(tǒng)內(nèi)的相互干擾，使系統(tǒng)容量最大化。此外，功率控制在通信中還起著節(jié)能的作用，無線通信系統(tǒng)的終端通常是由電池供電[12]。

2.2 CR技術的典型應用

2.2.1在超寬帶（UWB）系統(tǒng)中的應用

UWB 具有高通信容量、傳輸速率高、抗多徑能力強、功耗低、成本低等優(yōu)點，但是UWB的超寬帶特性會對共享頻段內(nèi)的其它窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并且自身也易受到其它系統(tǒng)的強干擾[13]。將CR技術和UWB相結合，能為UWB解決上述問題提供一種全新的思路，有可能設計出一種全新的高性能UWB系統(tǒng)。

2.2.2在WRAN中的應用

WRAN空中接口面臨的主要挑戰(zhàn)是靈活性和自適應性。對于物理層的要求是保持低復雜性的同時提供很高的性能；也需要相應的MAC層控制機制[14]，允許基站以對授權用戶的頻譜感知來動態(tài)改變網(wǎng)絡的功率或頻率，以避免干擾。為了避免和解決排列或重疊覆蓋，實現(xiàn)更好的共享頻譜，系統(tǒng)還必須包含各基站之間的協(xié)調機制[15]。

2.2.3在WLAN中的應用

以IEEE 802.11標準為基礎的無線技術已成為目前無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks；WLAN）的主流。具有認知功能的無線局域網(wǎng)可以通過接入點對頻譜的不間斷掃描，識別出可能的干擾信號，并結合對其他信道通信環(huán)境和質量的認知，自適應地選擇最佳的通信信道[16]。采用CR 技術可以進一步增強通信網(wǎng)絡的性能和安全性，解決WLAN頻段擁擠造成的可用頻譜資源不多的問題。