未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引領(lǐng)

王鑫　孫軍　杜愷

【摘 要】隨著信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，有限的頻譜資源變得愈發(fā)緊張。為了緩解日益嚴(yán)重的頻譜資源緊張問(wèn)題，無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為引領(lǐng)未來(lái)無(wú)線通信技術(shù)方向的“大事件”。本文針對(duì)無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從概念、研究現(xiàn)狀和目前所研究的關(guān)鍵技術(shù)幾方面進(jìn)行了探索、剖析與探討。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；頻譜感知；頻譜共享；動(dòng)態(tài)接入

0 引言

過(guò)去幾十年間，隨著半導(dǎo)體、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，個(gè)人無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)生了爆炸性的增長(zhǎng)。從移動(dòng)電話到無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network， WLAN），新興的業(yè)務(wù)類型層出不窮，人們?cè)谙硎軣o(wú)線網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)便捷與樂(lè)趣的同時(shí)，日益增長(zhǎng)的頻譜需求和有限的頻譜資源之間的矛盾也在急劇深化，為了緩解這一矛盾，研究人員提出了一種新的融合技術(shù)思路——無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio Network）[1-2]。

無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（CRN）是指網(wǎng)絡(luò)能夠感知外部環(huán)境，通過(guò)對(duì)外部環(huán)境的理解與學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)調(diào)整通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部配置，智能地適應(yīng)外部環(huán)境的變化。其主要目的是向用戶提供最佳的端到端效能（End to End Efficiency）。它融合了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的特點(diǎn)，并考慮無(wú)線環(huán)境的信道特點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣骷盁o(wú)線終端的業(yè)務(wù)特性，分辨當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，然后根據(jù)這些狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃、決策和響應(yīng)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)能在自適應(yīng)過(guò)程中不斷學(xué)習(xí)，并將它們用于后續(xù)決策，實(shí)現(xiàn)端到端效能的優(yōu)化目標(biāo)[3-4]。

1 無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

目前，無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：頻譜感知（spectrum sensing）、頻譜共享（spectrum sharing）、動(dòng)態(tài)頻譜接入（dynamic spectrum access）[5]。區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道分配，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的信道分配往往需要基于實(shí)時(shí)感知的信道狀態(tài)，因此，頻譜感知是所有工作的基礎(chǔ)與核心。

1.1 頻譜感知

作為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的主要核心技術(shù)之一的頻譜感知技術(shù)，其目的是要發(fā)現(xiàn)在時(shí)域、頻域及空域的頻譜空洞，進(jìn)而供認(rèn)知用戶機(jī)會(huì)式利用頻譜。

頻譜感知技術(shù)可以分為基于干擾的檢測(cè)、主用戶信號(hào)檢測(cè)和協(xié)作檢測(cè)，目前的頻譜感知技術(shù)主要是基于主用戶發(fā)射機(jī)檢測(cè)，其頻譜感知方法主要又分為匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)三種。

1.1.1 匹配濾波器檢測(cè)

如果主用戶信號(hào)是確定性信號(hào)，那么在加性高斯白噪聲（AWGN）條件下最佳檢測(cè)器就是匹配濾波器，它可以使輸出信噪比達(dá)到最大。匹配濾波器檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能快速度準(zhǔn)確檢測(cè)主用戶是否存在，但是，此方法需事先知道授權(quán)用戶的信息，對(duì)授權(quán)用戶需要專門的接收器，必須定時(shí)和頻率同步。此外，計(jì)算量也較大，若先驗(yàn)知識(shí)不準(zhǔn)確，則匹配濾波器的性能會(huì)大大下降。

1.1.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)

通常，無(wú)線通信信號(hào)都具有循環(huán)平穩(wěn)性，而噪聲和干擾則不具有這種特性，因此可以通過(guò)循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)主用戶信號(hào)是否出現(xiàn)。該方法能從調(diào)制信號(hào)功率中區(qū)分出噪聲能量，可以在較低的信噪比下進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)，但其計(jì)算復(fù)雜度較高。

1.1.3 能量檢測(cè)

能量檢測(cè)是最簡(jiǎn)單、最為經(jīng)典的信號(hào)檢測(cè)方法，也是目前研究的熱點(diǎn)。能量檢測(cè)法相對(duì)簡(jiǎn)單、易實(shí)施，另外，它為非相干檢測(cè)，對(duì)相位同步要求低。但是，該方法在低信噪比情況下的檢測(cè)性能較差，易受噪聲不確定性的影響，且不能辨別主用戶類型。

1.2 頻譜共享

無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享是指次用戶在不影響主用戶的前提下與其共享一段頻譜，是認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。其目標(biāo)是有效管理對(duì)主用戶的干擾，并提高頻譜的機(jī)會(huì)利用率。

頻譜共享主要包括兩個(gè)方面：次用戶之間的頻譜共享以及次用戶和主用戶之間的頻譜共享，可根據(jù)架構(gòu)、頻譜分配行為等因素可大致分為三類：

（1）基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通?？煞譃榧惺筋l譜共享和分布式頻譜共享。集中式頻譜共享是由某個(gè)中心服務(wù)器根據(jù)全局信息計(jì)算和執(zhí)行整體二級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)的空閑頻譜分配。每個(gè)二級(jí)用戶獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知，然后將感知到的信息發(fā)送到中心服務(wù)器，由中心服務(wù)器綜合對(duì)這些信息分配到空閑頻譜。

與集中式頻譜共享不同，分布式分配將認(rèn)知終端看作是一個(gè)自治的智能體，每個(gè)認(rèn)知終端根據(jù)自己獲得的頻譜信息計(jì)算和決定如何使用這些空閑頻譜，分布式分配主要應(yīng)用于無(wú)中心服務(wù)器的場(chǎng)合。

（2）基于頻譜分配行為

基于頻譜分配行為又可分為協(xié)作式頻譜共享和非協(xié)作式頻譜共享兩類。協(xié)作式頻譜共享考慮到各節(jié)點(diǎn)間行為的相互影響，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)與其它節(jié)點(diǎn)分享自己的感知信息；而非協(xié)作式頻譜共享則不考慮其它認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，協(xié)作式方案要好于非協(xié)作式方案，更接近整體性能的最優(yōu)化，在一定程度上更為公平，同時(shí)也提高了吞吐量。

（3）基于接入技術(shù)

現(xiàn)有大部分基于接入技術(shù)研究針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電商用進(jìn)行的，主要采用基于填充式共享方式，即只針對(duì)主用戶未使用頻譜下進(jìn)行的，基于完全檢測(cè)信息下對(duì)主用戶的干擾最小。

1.3 動(dòng)態(tài)接入

與傳統(tǒng)的固定頻譜分配方式不同，動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的頻譜管理方式，能更好的利用已有的低效的頻譜資源來(lái)滿足無(wú)線通信服務(wù)。動(dòng)態(tài)頻譜接入方式可分為以下三種策略模型[8]：

（1）動(dòng)態(tài)專用模式

動(dòng)態(tài)專用頻譜管理方式保留了現(xiàn)有的頻譜管理策略結(jié)構(gòu)，即主用戶有著對(duì)頻譜資源的獨(dú)占權(quán)；但它們不僅可以自由選擇其所使用的技術(shù)，還可以選擇其所提供的服務(wù)。

（2）開(kāi)放共享模式

開(kāi)放共享模式這種頻譜管理方式得益于無(wú)線通信的發(fā)展，該技術(shù)能夠使得不同的系統(tǒng)共存，而且相互之間不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，因此，不需要對(duì)頻譜資源進(jìn)行獨(dú)立的授權(quán)。

（3）多層接入模式多層接入模式可以看作是動(dòng)態(tài)專用模式和開(kāi)放共享模式的一個(gè)折中，與動(dòng)態(tài)專用和開(kāi)放共享模式相比，多層接入模式更符合現(xiàn)有的頻譜資源管理策略和無(wú)線系統(tǒng)。此外，頻譜正交的接入方式與頻譜重疊相比去除了次用戶發(fā)射功率所受的嚴(yán)格限制，一定程度上提高了其信道容量和吞吐量，而且有著更廣泛的應(yīng)用。

2 結(jié)束語(yǔ)

作為未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引領(lǐng)，無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)就有廣闊的研究前景與應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，從頻譜感知、頻譜共享和動(dòng)態(tài)頻譜接入幾方面進(jìn)行深入分析與探討。無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)將在未來(lái)的無(wú)線通信領(lǐng)域，以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等各領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王永華.楊健.無(wú)線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011（7）：41-45.

[2]李建中.高宏. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展， 2008，45 （1）：1-15.

[3]王再勵(lì).認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作頻譜檢測(cè)技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2011.

[4]張國(guó)偉.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2011.

[5]唐龍.一種新型的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011（10）：326-330.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]