浅析无线电现在与未来

张秘

【摘要】认知无线电（Cognitive Radio，CR）是一种新兴的智能无线通信技术，它通过频谱感知、功率控制和频谱管理、频谱共享、频谱切换等关键技术，实现在不对授权用户正常通信造成影响的前提下，伺机接入授权用户合法频段，实现动态频谱接入。缓解了频谱资源不足的问题，因而成为目前无线通信领域的研究热点。

【关键词】认知无线电；动态频谱接入；博弈论；纳什均衡；代价函数

一、绪论

第一节 认知无线电技术研究背景

认知无线电技术本质上是一种叠加方案，它利用法定无线通信系统的空闲资源，在对法定无线通信系统不造成严重干扰的情况下共存，并可以与各种传输方案协调工作，是一种近期可行的技术方案。它能够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，所以认知无线电将推动无线通信的迅猛发展。

二、认知无线电的定义和相关术语

1.Joseph Mitola的定义

认知无线电这个概念是由Joseph Mitola博士于1999年8月在IEEE Personal Communications杂志上发表文章明确提出的[1]。在Mitola博士的论文中将认知无线电定义为“一种采用基于模式的推理达到特定无线相关要求的无线电”。

2.FCC的定义

不同的研究机构从不同的角度给出了CR的定义，比较有代表性的是FCC的定义。FCC认为“认知无线电是指通过与工作环境进行交互，能够改变发射机参数的无线电设备。认知无线电主体可能是软件定义的无线电设备（Software Defined Radios，SDR），但设备本身并不必一定具有软件或现场可编程的要求[2]。”

3.Simon Haykin的定义

除了研究机构外不同的学者也给出了对CR的定义，其中有代表性的就是Simon Haykin教授的定义。Simon Haykin从信号处理的角度出发，认为“认知无线电是一个智能的无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时的改变某些操作参数（比如传输功率、载波频率和调制技术等），使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化。

二、认知无线电的功能特性

从上述定义看出，CR应该具备以下两个主要特性：

1.认知能力

认知能力即在任何时间和地点识别未被使用的频谱资源的能力；指的是无线电能够从它所处的无线环境中捕捉和感知相关信息。通过这种认知能力。

2.重构能力

重构特性使CR设备可以根据无线环境动态编程，功率或者调制方式避免对主用户的有害干扰。

三、传统无线电、软件无线电和认知无线电的关系

认为对于传统的模拟无线电系统，其射频部分、上 /下变频、滤波及基带处理全部采用模拟方式，某个频段、某种调制方式的通信系统都对应专门的硬件结构；与传统无线电系统相比，并在此基础上改变其功率、频率、调制以及一些其它的参数以求更高的频带利用率，即确定绕过障碍的最佳传输路径。

四、认知无线电的物理结构

基带處理系统与现存的一般无线电收发器是相似的，这种功能与射频硬件技术如多频带天线、功率放大器、自适应滤波器紧密相关。

由于CR收发器前端设备使得收发器具备感知与自动转换频段的功能，它包括：

① 射频滤波器（RF Filter）：用来选取接收信号中某频带的信号。

② 低噪声放大器（LNA）：用来减少噪声分量，放大信号分量。

③ 混合器（Mixer）：用来使接收信号与本地载波相乘得到一个基带信号。

④ 锁相环（PLL）：用来确保信号锁定在一个特定的频率。

⑤ 信道选择滤波器（Channel Selection Filter）：它是CR的关键部件，来选择期望的信道。

⑥ 自动增益控制（AGC）：用来保持输出放大器信号的功率水平稳定在一定的范围内。

第二节 认知无线电技术国内外研究现状及应用

一、认知无线电技术国内外研究现状

目前，对认知无线电系统的研究已经受到了国内外的广泛关注，很多研究机构和组织积极投入到对该技术的研究中，比较有代表性的研究项目主要包括：

1.加州大学伯克利分校的CORVUS系统

2.DARPA XG项目

3.欧洲的DRIVE/over DRIVE项目

4.欧洲的欧盟的E2R项目

5.IEEE 802.22标准

6.端到端效率（End to End Efficiency，E3）项目

7.频谱池（Spectrum Pooling）

8.国家高技术研究发展计划（863计划）

第三节 认知无线电的关键技术

认知无线电的网络结构有集中式、分布式和“集中+分布式”3种类型，它通过频谱自适应技术来实现动态频谱分配。根据认知无线电系统必须具备的基本功能，如何实现这些功能也就成为认知无线电的关键技术。

1.频谱检测技术

2.位置感知技术

3.链路保持技术

4.动态频谱管理技术

5.其它关键技术

第四节 认知无线电研究的意义和内容

一、研究意义

当前日益稀缺的频谱资源已成为制约无线通信也发迅速发展的重要因素，无线频谱接入技术已成为新一代无线移动通信的核心技术。权用户即主用户的前提下智能地利用空闲频谱，因此研究认知无线电环境下的动态频谱接入尤为重要。

二、研究内容

认知无线电技术利用频谱空洞进行通信，未授权用户可以在授权用户空闲的时候使用其频谱，在授权用户需要时再腾出相应使用的授权频谱。通过利用信道分配、功率控制、干扰避免和机会调度等方法，寻找某种频谱接入策略或算法来合理利用空闲频谱，达到以下一个或多个目标：

① 提高频谱利用率；

② 通信开销小；

③ 避免干扰扰；

④ 体现公平性；

⑤ 算法简单。