认知无线电关键技术及应用

武秀广，宋 旭，任培明

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 引言

随着无线通信技术的飞速发展，各种移动终端不断涌现，无线通信业务需求快速增长，各种新的通信手段、通信体制的出现为人们的生活、工作带来了极大的便利。

所有的无线电业务都离不开无线电频率，但这种资源是有限的。目前人类对于3 000GHz以上的频率还无法开发和利用，尽管使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和编码四种方式进行频率的复用，但就某一频段和频率来讲，在一定的区域、一定的时间和一定的条件下使用频率是有限的。

随着无线通信业务需求的快速增长，频谱资源变得越来越紧张，频谱资源的有效利用成为无线通信的一个重要问题和制约无线通信发展的新瓶颈。尤其是随着无线局域网（WLAN）技术、无线个人域网络（WPAN）技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段（UFB）工作，但其频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务（如电视广播业务等）需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为此，频率管理部门专门分配了特定的授权频段（LFB）以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多，授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。可以看出，基于目前的频谱资源分配方法是对频谱资源的浪费。

为解决频谱资源的有效利用问题，认知无线电（CR）[1][2][3][4]技术应运而生。认知无线电作为一种智能的频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用，这将大大降低频谱和带宽限制对无线技术发展的束缚。因此，这一技术被预言为未来最热门的无线技术。

2 认知无线电

认知无线电的主要工作包括无线频谱分析、信道识别、发射功率控制和动态频谱资源管理。通常前两项任务由接收机完成，最后的任务由发射机完成，这三个任务就形成了一个认知过程。图1是认知无线电的基本构成形式和组成部分。这几个部分有机结合，形成一个完整的认知周期，即根据RF探测、分析，快速信道估计，动态分配空闲信道，以及信道状态选择合适的调制方式、传输速率、发射频率等。

认知无线电技术的概念最初由Joseph Mitola博士于1999年在软件无线电技术基础上提出，主要强调通信系统的认知能力。2003年，FCC在此基础上完善了认知无线电技术的定义[5]，指出“认知无线电设备是指能够通过与工作环境交互改变发射机参数的无线电设备”，强调认知无线电的认知能力与重配置能力。其中，认知能力是指认知无线电设备具备从无线环境中捕捉和感知信息的能力，并选择最好的频谱资源及合适的操作参数。重新配置能力是指传输过程中在不改变硬件组件的情况下调整工作参数的能力。2005年，Simon Haykin指出“认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并利用人工智能技术从环境中学习，实时改变某些操作参数，实现可靠的通信及对频谱资源的有效利用[6]。”

综合以上关于认知无线电技术的定义，图1给出了认知无线电系统的功能框架图。作为自适应的系统，至少需要包含一个可重新配置的无线电部分，其可配置的参数可以是工作频段或者带宽等。这一模块可以通过软件无线电实现。感知模块用于获得多种外部激励（无线频谱，地理信息等），特别是针对无线频谱环境进行检测。系统还包含一个策略数据库模块，用来决定频谱的基本利用策略，定义在某个环境下认知无线电系统的何种行为是可以接受的。这一策略数据库模块可以被重新配置以适应新的政策的变化。结合感知模块和策略数据模块的信息，系统对频谱的可用性进行学习和推理，这种学习和推理的过程可以利用模糊逻辑或者神经网络等方法实现。最终的决策则依据上述三个模块的输出信息最终确定，并根据结果对无线电通信协议栈的不同层面进行配置。

图1 认知无线电系统功能框架图

3 认知无线电关键技术

3.1 频谱侦听

认知无线电技术能实现实时侦听频谱，以便发现“频谱空穴”。同时为了不对主用户造成干扰，需快速检测到主用户的再次出现，以便为主用户腾出频率带宽。这就需要认知无线电具有频谱侦听功能，一般频谱检测可靠率要达到99.9%[7]。

由于认知无线电技术的检测能力本身具有一定限制，加之多径衰落和阴影衰落的影响，弱信号较难检测。为了能够检测出不同类型的主用户信号和不同等级的接收功率，相比传统的无线电技术，认知无线电射频前端的灵敏度、带宽频率捷变性能要求较高。目前公认的一种理想方案是同时考虑增强射频前端灵敏度、利用数字信号处理增益和用户间的合作来提高检测能力。

3.2 动态频谱分配

截至目前，学术界已对动态频谱分配技术进行了大量研究工作，提出了多种动态频谱分配算法。由于认知无线电系统中用户对带宽的需求、可用信道数量及用户位置是时变的，已有的算法较难满足要求。考虑到完全动态频谱分配受到诸多政策、标准及接入协议的限制，目前采用认知无线电的频谱共享技术，主要是基于频谱统筹策略。频谱统筹的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并为一个公共的频谱池，将频谱池划分为若干子信道。未授权用户可以临时占用空闲信道。

动态频谱分配可以协调和管理主用户与认知用户间的信道接入。文献[8]提出了两种接入方案：具有控制信道的分配和无控制信道的分配，前者是只要有空闲的子信道，主用户就选择空闲信道而不中断认证用户的通信；后者是主用户只要有需要就占用原信道，而不考虑认知用户是否占用信道。这两种方案在带宽利用率和阻塞率方面差别不大，但无控制信道的分配方案的强制中断率较高，这一问题可通过采用智能调度算法得以解决。

动态频谱分配也可用于协调多个认知用户间的频谱选择，以最大化频谱利用率。动态频谱分配可以有效地分析动态分布式资源分配问题，通常将反映实时认知用户交互过程的认知周期映射为一个对策模型，针对经典对策模型不包含学习过程的缺点，采用一些嵌入学习功能的改进模型对分布式动态频谱分配算法进行分析[9]。

3.3 功率控制

在认知无线电系统中采用分布式功率控制以扩大系统的工作范围，每个用户的发射功率是对其他用户造成干扰的主要原因，因此功率控制是认知无线电系统的关键技术之一。博弈论和信息论是解决这一难题的主要技术。

认知无线电系统的功率控制可以看成一个博弈论问题，在博弈论中，分为合作对策和非合作对策。如果不考虑非合作对策，功率控制问题可以简化为一个最优控制问题[8]。但完全的合作在多用户系统中是不可能出现的，因为每个用户都试图将自己的功率最大化，所以功率控制应为一个非合作对策。目前主流技术是用Markov对策进行分析，Markov对策是将多步对策看作一个随机过程，而认知无线电系统的功率控制问题，则可以看作是用Markov对策进行分析解决。

4 认知无线电的应用

4.1 在WRAN中的应用

IEEE已于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作组，2007年下半年完成了标准化工作。IEEE 802.22的核心技术就是CR技术。依据IEEE 802.22功能需求标准，WRAN空中接口面临的主要挑战是灵活性和自适应性。此外，相比别的IEEE标准，IEEE 802.22空中接口的共存问题也很关键，如侦听门限、响应时间等多种机制，还需要进行大量的研究[10]。

4.2 在UWB中的应用

最初将CR技术应用于超宽带（UWB）系统中，即认知UWB无线电技术的提出是为了实现直接序列超宽带（Direct Sequence UWB，DS-UWB）和多频带正交频分复用（Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MB-OFDM）两种UWB标准的互通，以及解决IEEE 802.15.3a物理层DS-UWB和MB-OFDM两种可选技术标准竞争陷入僵局的问题。

由于UWB系统与传统窄带系统之间存在着不可避免的干扰，将CR技术与UWB技术相结合以解决干扰问题，已成为近几年研究的热点，尤其是对UWB系统中基于CR的合作共存算法的研究较多。一个有效的方法是将CR机制嵌入到UWB系统中，如以跳时-脉冲位置调制为例，通过预先检测到的干扰频率，并相应选择合适的跳时序列，可将UWB系统与传统窄带系统间的干扰减至最小[10]。

4.3 在WLAN中的应用

具有认知功能的无线局域网（WLAN）可通过接入点对频谱的不间断扫描，从而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。另外，具有认知功能的接入点在不间断进行正常通信业务的同时，通过认知模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，从而可尽快地发现非法恶意攻击终端。这种技术应用在其他类型的宽带无线通信网络中，也会进一步提高系统的性能和安全性[11]。

4.4 在网状（Mesh）网中的应用

认知Mesh网络是近几年出现的全新的网络结构，它具有无线多跳的网络拓扑结构，通过中继的方式有效地扩展网络覆盖范围。由于微波频段受限于视距传输，基于认知无线电技术的Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入[11]。

4.5 在多入多出（MIMO）系统中的应用

在无线通信许多新的研究热点中，都有可应用认知无线电的场合。认知MIMO技术可显著提高无线通信系统的频谱效率，这是认知无线电技术的主要目标，故将认知无线电系统与MIMO技术结合，将能提供载波频率和复用增益的双重灵活性[11]。

值得关注的是，认知无线电技术不但引起了学术界的相当关注，工业界对如何将其应用于实际通信系统也产生了浓厚的兴趣。关于认知无线电在未来多媒体移动通信中的应用，在此不再赘述。

5 认知无线电下的频谱管理

具有认知无线电功能的无线用户在非授权状况下使用频率，必将引起无线电管理部门的注意，并且必定会力求将这种对频率的使用纳入其管理之下。从提高频谱利用效率的角度出发，不应该压制基于认知功能的非授权频谱使用。好的解决方法是改变频谱管理思想和频谱管理规则，使其适应用户的需求和技术的发展。

有研究者提出对频谱划分的新设想：依照频谱应用状况以及干扰的影响，对频谱划分三个等级：严格分配管理（不可干扰）、在一定程度上可供非授权使用（可有一定干扰）、无限制的非授权使用。在现阶段，绝大多数频谱为第一等级，即按照严格分配来进行管理，因而频谱利用率较低。新的频谱管理思想和规则应该使第一等级频谱所占的范围缩小，第二和第三等级频谱所占的范围扩大，以此来提高频谱利用率。这样将频谱分为三部分，第一部分非授权用户不可占用，第二部分可适当占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是认知无线电可利用的频谱。目前各种基于认知无线电的频谱管理思想和管理规则仍在研究之中。

6 结束语

认知无线电技术是继软件无线电（SDR）之后无线通信技术的“下一件大事”，受到人们的极大关注。目前对于它的研究还处于初始阶段，但在无线通信领域的发展前景十分诱人。虽然认知无线电技术具有独特的优势，但是其技术远不够成熟，还有很多难题需要解决，作者认为今后的研究工作应重点关注以下方面：

一是由于认知无线电是动态的利用频谱，所以加强认知无线电的灵活性十分必要，将多输入多输出（MIMO）技术引入认知无线电技术中，可以有效地提高认知无线电频谱利用的灵活性；二是认知无线电技术的协议很不完善，需要设计专门的协议，比如说设计专门的路由协议用于流量控制和拥塞控制，特别是跨层协议的设计；三是认知无线电技术需要强大的重配置能力，重配置能力是指在传输过程中无需修改硬件部分就能调节工作参数，这种能力使得认知无线电可以很容易地适应动态的无线环境，但是目前的硬件技术还满足不了这种需求。■

[1] Joseph Mitola, Maquire G Q Jr.Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal [J].IEEE Persona l Communications, 1999, 6(4): 13- 18

[2] Joseph Mitola.Cognitive Radio- An Integrated Agent Architecture for Software Def i ned Radio [D].Stockholm, Sweden: Royal Institute Techno logy(KTH) , 2000.

[3] Joseph Mitola.Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[J].Mobile Networks and Applications, 2001, 6(5): 435-441.

[4] Joseph Mitola.Cognitive radio: agent-based control of software radio[C] Proceedings of the 1st KarlCRuhe Workshop on Software Radio Technology.Karlsrhe, Germany: KarlCRuhe Workshop, 2000.

[5] Notice of Proposed Rule Making and Order, FCC.Et Docket no.03-322,December 2003.

[6] Haykin Simon.Cognitive Radio: Brain-empowered wireless communications [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005, 23(2): 201-220.

[7] IEEE 802.22 Document.22-05-0007-xx-0000_RAN_Requirements.doc[Online].

[8] T.A.Weiss, F.K.Jondral.Spectrum poling an inovative strategy for the enhancement of spectrum efficiency.IEEE Communications Magazine,March 2004, 42(3), 8-14

[9] Nie Nie, C.Comaniciu.Adaptive channel allocation spectrum etiquette for cognitive radio networks.New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, November 2005: 269-278

[10] 郭彩丽，张天魁，曾志民等．认知无线电关键技术及应用的研究现状[J] ．电信科学，2006(8):50-55

[11] 畅志贤，石明卫．认知无线电技术综述[J] ．电视技术，2007，31(8):132-133