淺析無線電現(xiàn)在與未來

張秘

【摘要】認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）是一種新興的智能無線通信技術(shù)，它通過頻譜感知、功率控制和頻譜管理、頻譜共享、頻譜切換等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在不對(duì)授權(quán)用戶正常通信造成影響的前提下，伺機(jī)接入授權(quán)用戶合法頻段，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入。緩解了頻譜資源不足的問題，因而成為目前無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知無線電；動(dòng)態(tài)頻譜接入；博弈論；納什均衡；代價(jià)函數(shù)

一、緒論

第一節(jié) 認(rèn)知無線電技術(shù)研究背景

認(rèn)知無線電技術(shù)本質(zhì)上是一種疊加方案，它利用法定無線通信系統(tǒng)的空閑資源，在對(duì)法定無線通信系統(tǒng)不造成嚴(yán)重干擾的情況下共存，并可以與各種傳輸方案協(xié)調(diào)工作，是一種近期可行的技術(shù)方案。它能夠根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時(shí)間、頻率、以及空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用，所以認(rèn)知無線電將推動(dòng)無線通信的迅猛發(fā)展。

二、認(rèn)知無線電的定義和相關(guān)術(shù)語

1.Joseph Mitola的定義

認(rèn)知無線電這個(gè)概念是由Joseph Mitola博士于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上發(fā)表文章明確提出的[1]。在Mitola博士的論文中將認(rèn)知無線電定義為“一種采用基于模式的推理達(dá)到特定無線相關(guān)要求的無線電”。

2.FCC的定義

不同的研究機(jī)構(gòu)從不同的角度給出了CR的定義，比較有代表性的是FCC的定義。FCC認(rèn)為“認(rèn)知無線電是指通過與工作環(huán)境進(jìn)行交互，能夠改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無線電設(shè)備。認(rèn)知無線電主體可能是軟件定義的無線電設(shè)備（Software Defined Radios，SDR），但設(shè)備本身并不必一定具有軟件或現(xiàn)場(chǎng)可編程的要求[2]?！?/p>

3.Simon Haykin的定義

除了研究機(jī)構(gòu)外不同的學(xué)者也給出了對(duì)CR的定義，其中有代表性的就是Simon Haykin教授的定義。Simon Haykin從信號(hào)處理的角度出發(fā)，認(rèn)為“認(rèn)知無線電是一個(gè)智能的無線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時(shí)的改變某些操作參數(shù)（比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化。

二、認(rèn)知無線電的功能特性

從上述定義看出，CR應(yīng)該具備以下兩個(gè)主要特性：

1.認(rèn)知能力

認(rèn)知能力即在任何時(shí)間和地點(diǎn)識(shí)別未被使用的頻譜資源的能力；指的是無線電能夠從它所處的無線環(huán)境中捕捉和感知相關(guān)信息。通過這種認(rèn)知能力。

2.重構(gòu)能力

重構(gòu)特性使CR設(shè)備可以根據(jù)無線環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，功率或者調(diào)制方式避免對(duì)主用戶的有害干擾。

三、傳統(tǒng)無線電、軟件無線電和認(rèn)知無線電的關(guān)系

認(rèn)為對(duì)于傳統(tǒng)的模擬無線電系統(tǒng)，其射頻部分、上 /下變頻、濾波及基帶處理全部采用模擬方式，某個(gè)頻段、某種調(diào)制方式的通信系統(tǒng)都對(duì)應(yīng)專門的硬件結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，并在此基礎(chǔ)上改變其功率、頻率、調(diào)制以及一些其它的參數(shù)以求更高的頻帶利用率，即確定繞過障礙的最佳傳輸路徑。

四、認(rèn)知無線電的物理結(jié)構(gòu)

基帶處理系統(tǒng)與現(xiàn)存的一般無線電收發(fā)器是相似的，這種功能與射頻硬件技術(shù)如多頻帶天線、功率放大器、自適應(yīng)濾波器緊密相關(guān)。

由于CR收發(fā)器前端設(shè)備使得收發(fā)器具備感知與自動(dòng)轉(zhuǎn)換頻段的功能，它包括：

① 射頻濾波器（RF Filter）：用來選取接收信號(hào)中某頻帶的信號(hào)。

② 低噪聲放大器（LNA）：用來減少噪聲分量，放大信號(hào)分量。

③ 混合器（Mixer）：用來使接收信號(hào)與本地載波相乘得到一個(gè)基帶信號(hào)。

④ 鎖相環(huán)（PLL）：用來確保信號(hào)鎖定在一個(gè)特定的頻率。

⑤ 信道選擇濾波器（Channel Selection Filter）：它是CR的關(guān)鍵部件，來選擇期望的信道。

⑥ 自動(dòng)增益控制（AGC）：用來保持輸出放大器信號(hào)的功率水平穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

第二節(jié) 認(rèn)知無線電技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

一、認(rèn)知無線電技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的研究已經(jīng)受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，很多研究機(jī)構(gòu)和組織積極投入到對(duì)該技術(shù)的研究中，比較有代表性的研究項(xiàng)目主要包括：

1.加州大學(xué)伯克利分校的CORVUS系統(tǒng)

2.DARPA XG項(xiàng)目

3.歐洲的DRIVE/over DRIVE項(xiàng)目

4.歐洲的歐盟的E2R項(xiàng)目

5.IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)

6.端到端效率（End to End Efficiency，E3）項(xiàng)目

7.頻譜池（Spectrum Pooling）

8.國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）

第三節(jié) 認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)

認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有集中式、分布式和“集中+分布式”3種類型，它通過頻譜自適應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配。根據(jù)認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須具備的基本功能，如何實(shí)現(xiàn)這些功能也就成為認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)。

1.頻譜檢測(cè)技術(shù)

2.位置感知技術(shù)

3.鏈路保持技術(shù)

4.動(dòng)態(tài)頻譜管理技術(shù)

5.其它關(guān)鍵技術(shù)

第四節(jié) 認(rèn)知無線電研究的意義和內(nèi)容

一、研究意義

當(dāng)前日益稀缺的頻譜資源已成為制約無線通信也發(fā)迅速發(fā)展的重要因素，無線頻譜接入技術(shù)已成為新一代無線移動(dòng)通信的核心技術(shù)。權(quán)用戶即主用戶的前提下智能地利用空閑頻譜，因此研究認(rèn)知無線電環(huán)境下的動(dòng)態(tài)頻譜接入尤為重要。

二、研究?jī)?nèi)容

認(rèn)知無線電技術(shù)利用頻譜空洞進(jìn)行通信，未授權(quán)用戶可以在授權(quán)用戶空閑的時(shí)候使用其頻譜，在授權(quán)用戶需要時(shí)再騰出相應(yīng)使用的授權(quán)頻譜。通過利用信道分配、功率控制、干擾避免和機(jī)會(huì)調(diào)度等方法，尋找某種頻譜接入策略或算法來合理利用空閑頻譜，達(dá)到以下一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)：

① 提高頻譜利用率；

② 通信開銷??；

③ 避免干擾擾；

④ 體現(xiàn)公平性；

⑤ 算法簡(jiǎn)單。