淺談?wù)J知無線電技術(shù)及應(yīng)用

薛光　孟新春

[摘 要]科技的發(fā)展推動(dòng)無線通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，從而使得本不寬松的頻譜資源越來越緊張，如何能充分利用有效和寶貴的頻譜資源成為一個(gè)亟需解決的課題。認(rèn)知無線電技術(shù)是如何對(duì)頻譜資源進(jìn)行充分利用的一種新技術(shù)，能夠在解決這個(gè)問題上提供新的思路。文章就認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)、面臨的問題進(jìn)行了探討。

[關(guān)鍵詞]認(rèn)知無線電；頻譜感知；動(dòng)態(tài)頻譜

一、引言

隨著科技的發(fā)展，無線技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有了飛速的發(fā)展，尤其是在通信領(lǐng)域，從而帶來的結(jié)果是，適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，這也將看似取之不盡的頻譜資源卻變得無比稀缺。如何將有限的頻譜資源最大化利用，成為通信領(lǐng)域研究的一個(gè)十分重要的課題。在目前的頻譜資源使用中，大多數(shù)資源的分配都是靜態(tài)的，即通過頻率規(guī)劃將固定的頻段分配給使用的用戶，用戶通信只能在有限的頻段中選取，以避免對(duì)其他用戶形成干擾。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。在無需專門授權(quán)的情況下，認(rèn)知無線電能夠借助頻譜感知等技術(shù)接人已授權(quán)頻段，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線頻譜資源的動(dòng)態(tài)共享，極大地提高頻譜利用效率和通信系統(tǒng)性能。

二、認(rèn)知無線電技術(shù)

認(rèn)知無線電（CR）的概念是Mitola博士于1999年發(fā)表文章明確提出來的，即“能夠認(rèn)知無線環(huán)境并相應(yīng)改變其頻譜使用方式的系統(tǒng)”。認(rèn)知無線電以軟件無線電為平臺(tái)，是一種智能的無線通信技術(shù)，其核心是通過動(dòng)態(tài)頻譜感知來探測(cè)未使用的頻段，合理占用其中的合適頻段，并動(dòng)態(tài)地根據(jù)感知環(huán)境信息改變頻段、發(fā)射功率及調(diào)制方式等參數(shù)，使系統(tǒng)的通信規(guī)則與輸人的射頻激勵(lì)相適應(yīng)。確保無論何時(shí)何地都可以進(jìn)行高度可靠的通信和無線頻譜的有效利用。

1.頻譜感知技術(shù)

CR能夠感知、適應(yīng)和學(xué)習(xí)周圍的電磁環(huán)境，發(fā)現(xiàn)頻率空穴，熟知無線信號(hào)的特征，并合理利用這些結(jié)果，這就是所謂的頻譜感知技術(shù)，也是CR區(qū)別與其他無線電的根本之所在。頻譜空穴是如下定義的：頻譜空穴是指被分配給某初始授權(quán)用戶，但在特定時(shí)間和具體位置該用戶沒有使用的頻帶。CR中的頻譜感知包含兩個(gè)方面，帶內(nèi)檢測(cè)和帶外檢測(cè)。從用戶在工作時(shí)必須頻繁地對(duì)當(dāng)前工作頻段和其他頻段進(jìn)行感知操作，實(shí)時(shí)的頻譜檢測(cè)也能比較準(zhǔn)確地判定射頻信號(hào)碰撞事件，使認(rèn)知無線電系統(tǒng)能盡快進(jìn)行主動(dòng)退避，避免過多地影響原有授權(quán)用戶的通信。

2.動(dòng)態(tài)頻譜資源分配

目前對(duì)于認(rèn)知無線電的動(dòng)態(tài)頻譜分配研究比較多是頻譜共享池。頻譜共享池的基本思路是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并成一個(gè)公共的頻譜池，并將整個(gè)頻譜池劃分為若干個(gè)子信道，使用無線電禮儀規(guī)則來規(guī)定各用戶之間選擇頻譜的協(xié)商機(jī)制，之后進(jìn)行信道接入。其中包含兩種接入方案：具有控制信道的分配和無控制信道的分配。前者是只要頻譜池有空閑的子信道，主用戶就可選擇空閑信道而不中斷認(rèn)知用戶的通信：后者是主用戶并不考慮認(rèn)知用戶是否占用信道，只要需要就占用原信道。

3.位置感知技術(shù)

不同的地理環(huán)境對(duì)無線電信號(hào)的傳輸會(huì)產(chǎn)生不同的影響。比如室內(nèi)與室外、市區(qū)與鄉(xiāng)村、山區(qū)與平原相比，后者就更適合無線電信號(hào)的傳輸。CR與全球定位系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)結(jié)合，通過自我學(xué)習(xí)的方法，能夠識(shí)別出自身所處的地理位置，進(jìn)而能根據(jù)地理環(huán)境選擇合適的發(fā)送頻率、調(diào)制方式等參數(shù)。比如在市區(qū)內(nèi)，由于電磁環(huán)境復(fù)雜，多徑衰落較大，可以采用抗多徑衰落較好的OFDM調(diào)制。在鄉(xiāng)村由于電磁環(huán)境優(yōu)良，可以采用較大的功率，傳輸更遠(yuǎn)的距離。

4.鏈路保持技術(shù)

一旦授權(quán)用戶要再次通信，CR必須要在最短的時(shí)間內(nèi)騰出正在使用的頻率，并且還要保證自己的通信不被中斷，這就是所謂的CR鏈路保持技術(shù).國外研究指出，可以采用LT（LubyTransform）編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鏈路保持。LT編碼是一種冗余編碼，將長(zhǎng)度為比特的數(shù)據(jù)分成k（k=L/I）個(gè)輸入符號(hào)，經(jīng)過基于MetaoContent的編碼就變成了無限長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流.接收端只要收到任意K>k個(gè)編碼符號(hào)就可以無失真地還原L個(gè)比特的原始數(shù)據(jù)。

三、需要解決的問題

CR被認(rèn)為是下下一代通信發(fā)展的方向。由于CR技術(shù)能夠顯著提高無線頻譜的利用效率，引起了業(yè)界的極大重視，近年來得到了快速發(fā)展。然而，CR從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱眠€有諸多問題需要解決。其中面臨需要解決的主要有兩個(gè)問題：

1.現(xiàn)階段認(rèn)知無線電的技術(shù)理論研究很多，涉及的應(yīng)用領(lǐng)域也很寬，但在各個(gè)研究點(diǎn)上分析還不夠透徹，有些關(guān)鍵問題雖然已經(jīng)提出，但是解決方案還不完善；

2.要具體去實(shí)現(xiàn)應(yīng)用無線電技術(shù)復(fù)雜性高，很多研究只能停留在理論上，R終端設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要寬頻帶、高靈敏度的射頻前端，快速高效的數(shù)字信號(hào)處理算法以及符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)健可靠的軟硬件設(shè)計(jì)；難以建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)就更難以建立。

四、結(jié)語

認(rèn)知無線電的核心思想是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)閑置頻譜資源能力，并合理利用資源能力，從而根本上解決日益增長(zhǎng)的無線通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾。但要真正實(shí)現(xiàn)CR技術(shù)，還要繼續(xù)研究頻譜預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)頻譜管理及頻譜接人方式等關(guān)鍵問題。

參考文獻(xiàn)

[1] J.Mitola，Cognitive Radio：AnIntegrated A gentArchitecture for Software Defined Radio[D]，Sweden，KTH Royal Institute of Technology，2000 .

[2] 王斯瑤，付琳.認(rèn)知無線電技術(shù)[J].通信與信息技術(shù)，2006.

[3] 王金龍，吳啟暉，龔玉萍，等.認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4] 謝顯中.感知無線電技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2008.