未来无线通信网络技术引领

王鑫　孙军　杜恺

【摘 要】随着信息通信技术的迅猛发展，有限的频谱资源变得愈发紧张。为了缓解日益严重的频谱资源紧张问题，无线认知网络技术应运而生，成为引领未来无线通信技术方向的“大事件”。本文针对无线认知网络技术，从概念、研究现状和目前所研究的关键技术几方面进行了探索、剖析与探讨。

【关键词】无线认知网络；频谱感知；频谱共享；动态接入

0 引言

过去几十年间，随着半导体、微电子和计算机技术的迅猛发展，个人无线通信产业发生了爆炸性的增长。从移动电话到无线局域网（Wireless Local Area Network， WLAN），新兴的业务类型层出不穷，人们在享受无线网络所带来便捷与乐趣的同时，日益增长的频谱需求和有限的频谱资源之间的矛盾也在急剧深化，为了缓解这一矛盾，研究人员提出了一种新的融合技术思路——无线认知网络（Cognitive Radio Network）[1-2]。

无线认知网络（CRN）是指网络能够感知外部环境，通过对外部环境的理解与学习，实时调整通信网络内部配置，智能地适应外部环境的变化。其主要目的是向用户提供最佳的端到端效能（End to End Efficiency）。它融合了认知无线电技术的特点，并考虑无线环境的信道特点、无线网络的拓扑特征及无线终端的业务特性，分辨当前网络状态，然后根据这些状态进行规划、决策和响应，同时网络能在自适应过程中不断学习，并将它们用于后续决策，实现端到端效能的优化目标[3-4]。

1 无线认知网络关键技术

目前，无线认知网络的研究主要集中在以下几个方面：频谱感知（spectrum sensing）、频谱共享（spectrum sharing）、动态频谱接入（dynamic spectrum access）[5]。区别于传统无线网络的信道分配，认知网络的信道分配往往需要基于实时感知的信道状态，因此，频谱感知是所有工作的基础与核心。

1.1 频谱感知

作为认知网络的主要核心技术之一的频谱感知技术，其目的是要发现在时域、频域及空域的频谱空洞，进而供认知用户机会式利用频谱。

频谱感知技术可以分为基于干扰的检测、主用户信号检测和协作检测，目前的频谱感知技术主要是基于主用户发射机检测，其频谱感知方法主要又分为匹配滤波器检测、能量检测、循环平稳特征检测三种。

1.1.1 匹配滤波器检测

如果主用户信号是确定性信号，那么在加性高斯白噪声（AWGN）条件下最佳检测器就是匹配滤波器，它可以使输出信噪比达到最大。匹配滤波器检测的优点是能快速度准确检测主用户是否存在，但是，此方法需事先知道授权用户的信息，对授权用户需要专门的接收器，必须定时和频率同步。此外，计算量也较大，若先验知识不准确，则匹配滤波器的性能会大大下降。

1.1.2 循环平稳特征检测

通常，无线通信信号都具有循环平稳性，而噪声和干扰则不具有这种特性，因此可以通过循环平稳特征检测法来检测主用户信号是否出现。该方法能从调制信号功率中区分出噪声能量，可以在较低的信噪比下进行检测信号，但其计算复杂度较高。

1.1.3 能量检测

能量检测是最简单、最为经典的信号检测方法，也是目前研究的热点。能量检测法相对简单、易实施，另外，它为非相干检测，对相位同步要求低。但是，该方法在低信噪比情况下的检测性能较差，易受噪声不确定性的影响，且不能辨别主用户类型。

1.2 频谱共享

无线认知网络的频谱共享是指次用户在不影响主用户的前提下与其共享一段频谱，是认知无线网络的关键技术之一。其目标是有效管理对主用户的干扰，并提高频谱的机会利用率。

频谱共享主要包括两个方面：次用户之间的频谱共享以及次用户和主用户之间的频谱共享，可根据架构、频谱分配行为等因素可大致分为三类：

（1）基于网络架构

基于网络架构通常可分为集中式频谱共享和分布式频谱共享。集中式频谱共享是由某个中心服务器根据全局信息计算和执行整体二级用户网络的空闲频谱分配。每个二级用户独立进行频谱感知，然后将感知到的信息发送到中心服务器，由中心服务器综合对这些信息分配到空闲频谱。

与集中式频谱共享不同，分布式分配将认知终端看作是一个自治的智能体，每个认知终端根据自己获得的频谱信息计算和决定如何使用这些空闲频谱，分布式分配主要应用于无中心服务器的场合。

（2）基于频谱分配行为

基于频谱分配行为又可分为协作式频谱共享和非协作式频谱共享两类。协作式频谱共享考虑到各节点间行为的相互影响，即每个节点都会与其它节点分享自己的感知信息；而非协作式频谱共享则不考虑其它认知节点间的干扰。在实际应用中，协作式方案要好于非协作式方案，更接近整体性能的最优化，在一定程度上更为公平，同时也提高了吞吐量。

（3）基于接入技术

现有大部分基于接入技术研究针对认知无线电商用进行的，主要采用基于填充式共享方式，即只针对主用户未使用频谱下进行的，基于完全检测信息下对主用户的干扰最小。

1.3 动态接入

与传统的固定频谱分配方式不同，动态频谱接入技术是一种动态自适应的频谱管理方式，能更好的利用已有的低效的频谱资源来满足无线通信服务。动态频谱接入方式可分为以下三种策略模型[8]：

（1）动态专用模式

动态专用频谱管理方式保留了现有的频谱管理策略结构，即主用户有着对频谱资源的独占权；但它们不仅可以自由选择其所使用的技术，还可以选择其所提供的服务。

（2）开放共享模式

开放共享模式这种频谱管理方式得益于无线通信的发展，该技术能够使得不同的系统共存，而且相互之间不会产生严重的干扰，因此，不需要对频谱资源进行独立的授权。

（3）多层接入模式多层接入模式可以看作是动态专用模式和开放共享模式的一个折中，与动态专用和开放共享模式相比，多层接入模式更符合现有的频谱资源管理策略和无线系统。此外，频谱正交的接入方式与频谱重叠相比去除了次用户发射功率所受的严格限制，一定程度上提高了其信道容量和吞吐量，而且有着更广泛的应用。

2 结束语

作为未来无线通信网络技术的引领，无线认知网络就有广阔的研究前景与应用价值。本文对无线认知网络一些关键问题进行了总结，从频谱感知、频谱共享和动态频谱接入几方面进行深入分析与探讨。无线认知网络将在未来的无线通信领域，以其独特的技术优势广泛应用于军事、工业、环境、医疗等各领域。

【参考文献】

[1]王永华.杨健.无线认知传感器网络的研究[J].计算机科学，2011（7）：41-45.

[2]李建中.高宏. 无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展， 2008，45 （1）：1-15.

[3]王再励.认知无线网络中的协作频谱检测技术研究[D].北京邮电大学，2011.

[4]张国伟.认知无线电网络中频谱感知技术研究[D].山东大学，2011.

[5]唐龙.一种新型的认知无线电网络架构[J].计算机科学，2011（10）：326-330.

[责任编辑：薛俊歌]