認知無線電關(guān)鍵技術(shù)及應用

武秀廣，宋 旭，任培明

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各種移動終端不斷涌現(xiàn)，無線通信業(yè)務需求快速增長，各種新的通信手段、通信體制的出現(xiàn)為人們的生活、工作帶來了極大的便利。

所有的無線電業(yè)務都離不開無線電頻率，但這種資源是有限的。目前人類對于3 000GHz以上的頻率還無法開發(fā)和利用，盡管使用無線電頻譜可以根據(jù)時間、空間、頻率和編碼四種方式進行頻率的復用，但就某一頻段和頻率來講，在一定的區(qū)域、一定的時間和一定的條件下使用頻率是有限的。

隨著無線通信業(yè)務需求的快速增長，頻譜資源變得越來越緊張，頻譜資源的有效利用成為無線通信的一個重要問題和制約無線通信發(fā)展的新瓶頸。尤其是隨著無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)、無線個人域網(wǎng)絡（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)絡技術(shù)大多使用非授權(quán)的頻段（UFB）工作，但其頻段已經(jīng)漸趨飽和。而另外一些通信業(yè)務（如電視廣播業(yè)務等）需要通信網(wǎng)絡提供一定的保護，使他們免受其他通信業(yè)務的干擾。為此，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，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：某些部分的頻譜資源相對較少但其上承載的業(yè)務量很大，而另外一些已授權(quán)的頻譜資源利用率卻很低。可以看出，基于目前的頻譜資源分配方法是對頻譜資源的浪費。

為解決頻譜資源的有效利用問題，認知無線電（CR）[1][2][3][4]技術(shù)應運而生。認知無線電作為一種智能的頻譜共享技術(shù)，能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學習和決策算法，實時自適應地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率以及空間上進行多維的頻譜復用，這將大大降低頻譜和帶寬限制對無線技術(shù)發(fā)展的束縛。因此，這一技術(shù)被預言為未來最熱門的無線技術(shù)。

2 認知無線電

認知無線電的主要工作包括無線頻譜分析、信道識別、發(fā)射功率控制和動態(tài)頻譜資源管理。通常前兩項任務由接收機完成，最后的任務由發(fā)射機完成，這三個任務就形成了一個認知過程。圖1是認知無線電的基本構(gòu)成形式和組成部分。這幾個部分有機結(jié)合，形成一個完整的認知周期，即根據(jù)RF探測、分析，快速信道估計，動態(tài)分配空閑信道，以及信道狀態(tài)選擇合適的調(diào)制方式、傳輸速率、發(fā)射頻率等。

認知無線電技術(shù)的概念最初由Joseph Mitola博士于1999年在軟件無線電技術(shù)基礎上提出，主要強調(diào)通信系統(tǒng)的認知能力。2003年，F(xiàn)CC在此基礎上完善了認知無線電技術(shù)的定義[5]，指出“認知無線電設備是指能夠通過與工作環(huán)境交互改變發(fā)射機參數(shù)的無線電設備”，強調(diào)認知無線電的認知能力與重配置能力。其中，認知能力是指認知無線電設備具備從無線環(huán)境中捕捉和感知信息的能力，并選擇最好的頻譜資源及合適的操作參數(shù)。重新配置能力是指傳輸過程中在不改變硬件組件的情況下調(diào)整工作參數(shù)的能力。2005年，Simon Haykin指出“認知無線電是一個智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并利用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學習，實時改變某些操作參數(shù)，實現(xiàn)可靠的通信及對頻譜資源的有效利用[6]?！?/p>

綜合以上關(guān)于認知無線電技術(shù)的定義，圖1給出了認知無線電系統(tǒng)的功能框架圖。作為自適應的系統(tǒng)，至少需要包含一個可重新配置的無線電部分，其可配置的參數(shù)可以是工作頻段或者帶寬等。這一模塊可以通過軟件無線電實現(xiàn)。感知模塊用于獲得多種外部激勵（無線頻譜，地理信息等），特別是針對無線頻譜環(huán)境進行檢測。系統(tǒng)還包含一個策略數(shù)據(jù)庫模塊，用來決定頻譜的基本利用策略，定義在某個環(huán)境下認知無線電系統(tǒng)的何種行為是可以接受的。這一策略數(shù)據(jù)庫模塊可以被重新配置以適應新的政策的變化。結(jié)合感知模塊和策略數(shù)據(jù)模塊的信息，系統(tǒng)對頻譜的可用性進行學習和推理，這種學習和推理的過程可以利用模糊邏輯或者神經(jīng)網(wǎng)絡等方法實現(xiàn)。最終的決策則依據(jù)上述三個模塊的輸出信息最終確定，并根據(jù)結(jié)果對無線電通信協(xié)議棧的不同層面進行配置。

圖1 認知無線電系統(tǒng)功能框架圖

3 認知無線電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頻譜偵聽

認知無線電技術(shù)能實現(xiàn)實時偵聽頻譜，以便發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”。同時為了不對主用戶造成干擾，需快速檢測到主用戶的再次出現(xiàn)，以便為主用戶騰出頻率帶寬。這就需要認知無線電具有頻譜偵聽功能，一般頻譜檢測可靠率要達到99.9%[7]。

由于認知無線電技術(shù)的檢測能力本身具有一定限制，加之多徑衰落和陰影衰落的影響，弱信號較難檢測。為了能夠檢測出不同類型的主用戶信號和不同等級的接收功率，相比傳統(tǒng)的無線電技術(shù)，認知無線電射頻前端的靈敏度、帶寬頻率捷變性能要求較高。目前公認的一種理想方案是同時考慮增強射頻前端靈敏度、利用數(shù)字信號處理增益和用戶間的合作來提高檢測能力。

3.2 動態(tài)頻譜分配

截至目前，學術(shù)界已對動態(tài)頻譜分配技術(shù)進行了大量研究工作，提出了多種動態(tài)頻譜分配算法。由于認知無線電系統(tǒng)中用戶對帶寬的需求、可用信道數(shù)量及用戶位置是時變的，已有的算法較難滿足要求?？紤]到完全動態(tài)頻譜分配受到諸多政策、標準及接入?yún)f(xié)議的限制，目前采用認知無線電的頻譜共享技術(shù)，主要是基于頻譜統(tǒng)籌策略。頻譜統(tǒng)籌的基本思想是將一部分分配給不同業(yè)務的頻譜合并為一個公共的頻譜池，將頻譜池劃分為若干子信道。未授權(quán)用戶可以臨時占用空閑信道。

動態(tài)頻譜分配可以協(xié)調(diào)和管理主用戶與認知用戶間的信道接入。文獻[8]提出了兩種接入方案：具有控制信道的分配和無控制信道的分配，前者是只要有空閑的子信道，主用戶就選擇空閑信道而不中斷認證用戶的通信；后者是主用戶只要有需要就占用原信道，而不考慮認知用戶是否占用信道。這兩種方案在帶寬利用率和阻塞率方面差別不大，但無控制信道的分配方案的強制中斷率較高，這一問題可通過采用智能調(diào)度算法得以解決。

動態(tài)頻譜分配也可用于協(xié)調(diào)多個認知用戶間的頻譜選擇，以最大化頻譜利用率。動態(tài)頻譜分配可以有效地分析動態(tài)分布式資源分配問題，通常將反映實時認知用戶交互過程的認知周期映射為一個對策模型，針對經(jīng)典對策模型不包含學習過程的缺點，采用一些嵌入學習功能的改進模型對分布式動態(tài)頻譜分配算法進行分析[9]。

3.3 功率控制

在認知無線電系統(tǒng)中采用分布式功率控制以擴大系統(tǒng)的工作范圍，每個用戶的發(fā)射功率是對其他用戶造成干擾的主要原因，因此功率控制是認知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。博弈論和信息論是解決這一難題的主要技術(shù)。

認知無線電系統(tǒng)的功率控制可以看成一個博弈論問題，在博弈論中，分為合作對策和非合作對策。如果不考慮非合作對策，功率控制問題可以簡化為一個最優(yōu)控制問題[8]。但完全的合作在多用戶系統(tǒng)中是不可能出現(xiàn)的，因為每個用戶都試圖將自己的功率最大化，所以功率控制應為一個非合作對策。目前主流技術(shù)是用Markov對策進行分析，Markov對策是將多步對策看作一個隨機過程，而認知無線電系統(tǒng)的功率控制問題，則可以看作是用Markov對策進行分析解決。

4 認知無線電的應用

4.1 在WRAN中的應用

IEEE已于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作組，2007年下半年完成了標準化工作。IEEE 802.22的核心技術(shù)就是CR技術(shù)。依據(jù)IEEE 802.22功能需求標準，WRAN空中接口面臨的主要挑戰(zhàn)是靈活性和自適應性。此外，相比別的IEEE標準，IEEE 802.22空中接口的共存問題也很關(guān)鍵，如偵聽門限、響應時間等多種機制，還需要進行大量的研究[10]。

4.2 在UWB中的應用

最初將CR技術(shù)應用于超寬帶（UWB）系統(tǒng)中，即認知UWB無線電技術(shù)的提出是為了實現(xiàn)直接序列超寬帶（Direct Sequence UWB，DS-UWB）和多頻帶正交頻分復用（Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MB-OFDM）兩種UWB標準的互通，以及解決IEEE 802.15.3a物理層DS-UWB和MB-OFDM兩種可選技術(shù)標準競爭陷入僵局的問題。

由于UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)之間存在著不可避免的干擾，將CR技術(shù)與UWB技術(shù)相結(jié)合以解決干擾問題，已成為近幾年研究的熱點，尤其是對UWB系統(tǒng)中基于CR的合作共存算法的研究較多。一個有效的方法是將CR機制嵌入到UWB系統(tǒng)中，如以跳時-脈沖位置調(diào)制為例，通過預先檢測到的干擾頻率，并相應選擇合適的跳時序列，可將UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)間的干擾減至最小[10]。

4.3 在WLAN中的應用

具有認知功能的無線局域網(wǎng)（WLAN）可通過接入點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)量的認知，自適應地選擇最佳的通信信道。另外，具有認知功能的接入點在不間斷進行正常通信業(yè)務的同時，通過認知模塊對其工作的頻段以及更寬的頻段進行掃描分析，從而可盡快地發(fā)現(xiàn)非法惡意攻擊終端。這種技術(shù)應用在其他類型的寬帶無線通信網(wǎng)絡中，也會進一步提高系統(tǒng)的性能和安全性[11]。

4.4 在網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)中的應用

認知Mesh網(wǎng)絡是近幾年出現(xiàn)的全新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，它具有無線多跳的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，通過中繼的方式有效地擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍。由于微波頻段受限于視距傳輸，基于認知無線電技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡將有利于在微波頻段實現(xiàn)頻譜的開放接入[11]。

4.5 在多入多出（MIMO）系統(tǒng)中的應用

在無線通信許多新的研究熱點中，都有可應用認知無線電的場合。認知MIMO技術(shù)可顯著提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率，這是認知無線電技術(shù)的主要目標，故將認知無線電系統(tǒng)與MIMO技術(shù)結(jié)合，將能提供載波頻率和復用增益的雙重靈活性[11]。

值得關(guān)注的是，認知無線電技術(shù)不但引起了學術(shù)界的相當關(guān)注，工業(yè)界對如何將其應用于實際通信系統(tǒng)也產(chǎn)生了濃厚的興趣。關(guān)于認知無線電在未來多媒體移動通信中的應用，在此不再贅述。

5 認知無線電下的頻譜管理

具有認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)，不應該壓制基于認知功能的非授權(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想：依照頻譜應用狀況以及干擾的影響，對頻譜劃分三個等級：嚴格分配管理（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，即按照嚴格分配來進行管理，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大，以此來提高頻譜利用率。這樣將頻譜分為三部分，第一部分非授權(quán)用戶不可占用，第二部分可適當占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是認知無線電可利用的頻譜。目前各種基于認知無線電的頻譜管理思想和管理規(guī)則仍在研究之中。

6 結(jié)束語

認知無線電技術(shù)是繼軟件無線電（SDR）之后無線通信技術(shù)的“下一件大事”，受到人們的極大關(guān)注。目前對于它的研究還處于初始階段，但在無線通信領(lǐng)域的發(fā)展前景十分誘人。雖然認知無線電技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，但是其技術(shù)遠不夠成熟，還有很多難題需要解決，作者認為今后的研究工作應重點關(guān)注以下方面：

一是由于認知無線電是動態(tài)的利用頻譜，所以加強認知無線電的靈活性十分必要，將多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)引入認知無線電技術(shù)中，可以有效地提高認知無線電頻譜利用的靈活性；二是認知無線電技術(shù)的協(xié)議很不完善，需要設計專門的協(xié)議，比如說設計專門的路由協(xié)議用于流量控制和擁塞控制，特別是跨層協(xié)議的設計；三是認知無線電技術(shù)需要強大的重配置能力，重配置能力是指在傳輸過程中無需修改硬件部分就能調(diào)節(jié)工作參數(shù)，這種能力使得認知無線電可以很容易地適應動態(tài)的無線環(huán)境，但是目前的硬件技術(shù)還滿足不了這種需求。■

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