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认知无线电的发展历程与现状

摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。

关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用

随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Shannon理论。

美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1. 认知无线电的发展历程

认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在1999年提出的，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并在论文中描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2004年Rieser支出认知无线电不一定必须有SDR的支撑，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适用于可快速部署的灾难通信系统。该认知模型可对无线电系统的物理层和MAC层烦人演进建模，主要由三部分组成，包括用于监听无线环境，进行信道建模的无线信道遗传算法（WCGA）、演进并自适应无线环境的无线通信遗传算法（WSGA）和根据无线电信道模型和无线电参数，监视并改变系统的状态，以决定如何适应无线电的认知监视系统（CSM）。

2003年5月，FCC召开了无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。并且对从频谱管理的角度出发对认知无线网进行了官方定义，认为认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射参数的无线电设备。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现“开放

频谱系统”，对于合法的授权用户具有高的优先权接入频谱，而具有认知无线电功能的非授权用户，可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入可用频谱。 认知无线电的标准化 IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.22工作组，这是世界范围内的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。为了进一步研究认知无线电，IEEE于2005年成立了IEEE1900标准组，进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容进行研究。 2. 认知无线电的关键技术概要 2.1 认知无线电特点 对环境的感知能力：此特点是CR技术成立的前提，只有在环境感知和检测的基础上，才能使用频谱资源。频谱感知的主要功能是监测一定范围的频段，检测频谱空洞。

对环境变化的学习能力、自适应性：此特点体现CR技术的智能性，在遇到主用户信号时，能尽快主动退避，在频谱空洞间自如的切换。 通信质量的高可靠性：要求系统能够实现任何时间任何地点的高度可靠通信，能够准确地判定主用户信号出现的时间、地点、频段等信息，及时调整自身参数，提高通信质量。

系统功能模块的可重构性：CR设备可根据频谱环境动态编程，也可通过硬件设计，支持不同的收发技术。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。 2.2 认知无线电原理

认知无线电原理如图1所示,由图可看出,CR设备对周围环境感知、探测、分析，这种探测和感知是全方位的，应对地形、气象等综合信息也有所了解。由此图也可得出，CR是高智能设备，应包含一个智能收发器。有了足够的人工智能，它就能吸取过去的经验对实际情况进行响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。它的学习能力是使它从概念走向应用的真正原因。

图1：认知无线电原理图

当CR用户发现频谱空洞，使用已授权用户的频谱资源时[3]，必须保证它的通信不会影响到已授权用户的通信，一旦该频段被主用户使用，CR有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，改变发射频率或调制方案，避免对主用户的干扰。 2.3 认知无线电的关键技术 1) 频谱检测技术

频谱检测是在复杂的环境中监测出CR可以使用的频谱空隙，下图2是实际中的操作图：

图2:实际中的频谱检测图

上图中，左边部分是对所处环境的处理，掌握环境的各种信息是正确判决频谱信息的前提，如何从复杂环境中提取有用的信息，需要科研人员综合各种技术。 对环境的处理主要考虑CR设备的无缝接入、安全性、隐私性、数据学习能力、跟踪能力、数据动态管理、定位、感知等。下面主要介绍无缝接入。 无缝接入保证了动态环境中CR的精确性，实现它主要有两种方法：基于波形的方法和基于环境感知的方法。前一种在定位系统和波形转换器中装有标准波形，需要的时候随时调用。欧洲的SPACE项目利用了此方法，该模型由定位系统、波形器、算法选择器、传感器等组成。第二种方法是感知信道环境的参数，据此选择正确的算法。在未知环境中，基于RSS的定位分析算法已被广泛采用，此算法综合分析了CR设备的定位参数和在信道环境中设备的损失参数，经传感器输出信号保证无缝接入。后一种方法比前一种方法的复杂度低，CR被认为应具有两种方法。

目前频谱检测研究较多的方法有：匹配滤波器法、能量检测法、循环平衡特定检测法等。 匹配滤波器法：若CR用户已预先得知主用户信号的各种信息，在加性高斯噪声信道中，此法能得到最佳的效果，它能使接收信号的信噪比最大化。它的缺点是CR需要主用户的信息，适用于对主用户信息比较了解的频谱环境中，如大家已熟悉的超高频电视频段中。

能量检测法：能量检测法适用于不知道主用户信息的环境中，针对此方法，FCC提出了干扰温度限这一新的度量概念，干扰温度在它以下的信道就是适宜的频谱空穴。它的优点是操作简单，缺点是干扰温度限较难设定，它的门限值需视具体的环境而定。

循环平衡特定检测法：在通信中，有用信号一般受人工周期信号的调制，有潜在的周期性，而噪声没有这个特性，此方法就是利用这个特点进行检测的，比较适合于噪声环境中。它的缺点是算法复杂计算量大，检测时间相对长一些。 2)认知无线电中的频谱管理

现阶段，有人把频谱划分为三个等级：第一等级：严格管理、不可干扰；第二等级：在一定程度上可被非授权用户干扰；第三等级：无限制的使用。目前CR的频谱管理思想仍没有达成共识。好的管理思想应能体现CR的优势，提高频谱