浅谈通信系统中的认知无线电技术

万宁坤

德国的卡尔斯鲁尔大学（Uni.Karlsruhe）的F.K.Jondral教授所领导的研究组对频谱池系统进行了深入研究。研究应用场景主要集中在OFDM无线局域网与GSM网络的频谱资源动态共享。中心思想是将授权系统未充分利用的频谱资源集中起来构建一个频谱池，作为动态频谱接入系统的备用资源，由一个实体统一管理资源的分配[4]。

2）美国加州大学Berkeley分校研究组开发的CORVUS系统

CORVUS系统中，认知用户被分成不同的组，组内的认知用户通信可以采用中心式的结构，也可采用分布式的结构，存在两种通信通道，一种是信令控制通道，用来建立新认知用户的连接；另一种是组内认知用户通信信道，用于各SU交换频谱感知信息和进行数据通信等[5]。

3）欧洲的E2R项目

研究通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来，为用户、服务提供商、管理者提供更多可选服务的系统。E2R项目通过动态网络规划管理、高级频谱管理及联合资源管理这三个方面来实现其预期的目标[6]。

4）Defense Advanced Research Projects Agency XG项目

美国国防部高级研究计划署也开展了CR技术研究，资助的下一代XG项目主要开发提供择机频谱接入的技术和开发通过灵活的政策应用管理无线行为关键方面的长期管理框架。主要目标是使得美国军用通信设备可以检测环境变化，并根据对环境的检测结果来选择可用频谱。

5）IEEE802.22工作组

该工作组研究包括感知无线电在内的频谱管理政策。IEEE 802.22技术是认知无线电技术在无线区域内的具体应用。它的特点是VHF/UHF频段内，不干扰授权用户的情况下，灵活、自适应的频谱的合理配置。在IEEE 802.22系统中，为了实现对授权用户保护，提出工作信道内和工作信道内感知机制[7]。

与国外相比，中国的认知无线电技术虽然起步较晚，但也受到了社会各界的高度重视。北京邮电大学是中国认知无线电技术研究得最多和最早的机构，另外电子科大、浙江大学、清华大学等很多学校也对认知无线电技术有深入的研究。

2.关键技术研究及应用

2.1 关键技术研究

认知无线电的最大优势就是无线用户可以通过该技术实现“频谱共享”，其核心思想是通过检测哪些频谱处于空闲状态，在不影响授权用户的前提下智能地选择和利用这些空闲频谱，从而提高频谱的利用率。下面对CR的关键技术做一简要陈述[8]。

2.1.1 频谱检测

频谱检测是实现频谱自适应、乃至动态频谱共享的关键点，是认知无线电实现的难点所在。认知无线电中的频谱检测需要达到两个要求：对无线传输环境具有高度的适应能力和认知无线电系统自身效率的要求。待查的频段分为3种不同的情况：黑空：存在高功率的干扰；灰空：存在低功率的干扰；白空：仅存在环境噪声量，包括热噪声、瞬时反射、脉冲噪声等。频谱检测的任务就是寻找合适的频谱空洞并反馈至发送端进行频谱管理和功率控制[9]。

1）能量检测

能量检测不需要知道授权用户的先验信息，实现上非常简单，只需测量频域或时域上一段观测空间内接收信号的总能量来判决是否有授权用户出现，是目前应用最广的一种频谱检测方式[10]。

2）循环平稳特征检测法

由于调制信号在均值和自相关等统计参数方面具有循环平稳特性，

而噪声不具有这一特性，利用信号的循环平稳特性可以检测噪声背景下的授权用户信号。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[11]。

3）干扰温度检测

干扰温度是接受天线处射频功率（发射机和噪声源产生的信号功率）的一种度量。针对估计得到的干扰温度，可以给出干扰温度界限。通过干扰温度界限可以对观测的“频谱空洞”进行选择，超过界限的干扰或其它噪声都是不符合通信要求的频谱。

2.1.2 频谱管理

频谱管理又称频谱分配，CR 系统采用动态频谱分配方案。频谱管理包括了频谱分析和频谱决定功能，主要目的是提供认知无线电能在所有检测到的可用频谱中间，选取最合适的频谱来满足应用的QoS需求的能力，并实现一个有效的，高效的利用频谱的自适应策略。

2.1.3 功率控制

功率控制是指在一定范围内，用无线方式来改变移动台或基站（或两者）的传输功率。它的目的是为了减少整个系统的干扰，提高频谱利用率。功率控制能保证每个用户所发射功率到达基站础保持最小，既能符合最低的通信要求，同时又避免对其他用户信号产生不必要的干扰。功率控制的作用是减少系统内的相互干扰，使系统容量最大化。此外，功率控制在通信中还起着节能的作用，无线通信系统的终端通常是由电池供电[12]。

2.2 CR技术的典型应用

2.2.1在超宽带（UWB）系统中的应用

UWB 具有高通信容量、传输速率高、抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，但是UWB的超宽带特性会对共享频段内的其它窄带系统产生干扰，并且自身也易受到其它系统的强干扰[13]。将CR技术和UWB相结合，能为UWB解决上述问题提供一种全新的思路，有可能设计出一种全新的高性能UWB系统。

2.2.2在WRAN中的应用

WRAN空中接口面临的主要挑战是灵活性和自适应性。对于物理层的要求是保持低复杂性的同时提供很高的性能；也需要相应的MAC层控制机制[14]，允许基站以对授权用户的频谱感知来动态改变网络的功率或频率，以避免干扰。为了避免和解决排列或重叠覆盖，实现更好的共享频谱，系统还必须包含各基站之间的协调机制[15]。

2.2.3在WLAN中的应用

以IEEE 802.11标准为基础的无线技术已成为目前无线局域网（Wireless Local Area Networks；WLAN）的主流。具有认知功能的无线局域网可以通过接入点对频谱的不间断扫描，识别出可能的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，自适应地选择最佳的通信信道[16]。采用CR 技术可以进一步增强通信网络的性能和安全性，解决WLAN频段拥挤造成的可用频谱资源不多的问题。