认知无线电概念与发展现状浅析

万雅品

摘要：该文首先对于认知无线电、软件无线电、自适应无线电、可重构无线电、智能无线电的概念进行介绍和辨析，明确了他们的关系；而后介绍了认知无线电的核心技术和发展现状；讨论了认知无线电技术与不同技术的交叉，介绍了认知无线电技术目前和未来的发展方向。

关键词：认知无线电；软件无线电；智能无线电；可重构无线电；自适应无线电

1认知无线电与其他无线电

随着无线通信技术的飞速发展，人们对频谱资源的需求越来越大，但真正可供使用的频谱资源却越来越匮乏。为了解决频谱资源不足的问题，采用机会方式频谱接入机制的认知无线电技术得到了人们的重视。认知无线电CR（Cognitive Radio）这个概念最早是JosephMitola博士在1999年提出的，它最初的定义是“在无线电相关领域运用推理模型在能力方面达到特定水平的无线电”。经过发展，更详细的定义为“在无线电以及通信的领域里，使用无线数字设备和其相关的网络智能通过计算来满足用户的通信需要，同时依据需求来选择适当的无线电资源，达到最佳的无线电服务水平”。无线通信发展所面临的瓶颈之一就是频谱资源的不足，造成这一问题的主要原因有二：一方面，当前普遍采用的静态频谱管理体制留给新系统、新业务的可用资源非常少；另一方面，据美国联邦通信委员会（FCC）研究表明，频谱的使用情况是动态变化的，大部分时段和空间的频谱利用率非常低。构建以认知无线电技术为核心的动态频谱管理体制，可以从根本上缓解频谱资源紧张的局面。当然，认知无线电技术不仅仅是频谱接入这么简单，它还包含了频谱感知、学习和推理、信道估计与自适应传输、网络跨层设计等众多技术。

1.1與软件无线电概念辨析

软件定义无线电SDR（Software Defined Radio），简称软件无线电，其概念是“一种新型的无线电体系结构，它通过硬件和软件的结合使无线网络和用户终端具有可重配置能力”。SDR是1992年Mitola博士提出的，人们通常说认知无线电技术CR是对软件无线电技术SDR的深化与发展。同时，虽然产生有先后，并且由同一个人提出的，CR和SDR技术还是有很大的区别。

两者不是绝对的因果关系。软件无线电的灵活性、可重配置结构，很利于认知无线电使用软件无线电技术平台，未来大部分认知无线电设备可能基于软件无线电，但这并不表明认知无线电设备必须具备软件或现场可编程器件，软件无线电技术只不过是认知无线电技术的一种实现方案。认知无线电也可能使用硬件无线电平台。

认知无线电具有感知能力和智能选择能力。认知无线电最初是为了解决频谱资源紧张问题，而进行动态频谱接入的一种方法。认知无线电在感知频谱环境的基础上，有目的地实时改变工作参数，实现对频谱的高效利用，为解决当前频谱资源利用率低的问题提供了理论与技术支持。而软件无线电目标是采用硬件功能软件化的方法，实现硬件功能的软件定义。软件无线电是软件化硬件带来的灵活可重构；认知无线电是频谱感知、学习、判断、选择所带来的智能化。

1.2与其他无线电的关系

1.2.1自适应无线电

传统的自适应无线电可以通过调整参数与协议，以适应预先设定的信道与环境。自适应无线电不具备学习能力和决策能力，不能适应未预先设定的信道与环境。而认知无线电能根据过去的经验进行推理、计划，更重要的是能够决策未来以适应用户需求。所以认知无线电是自适应无线电的一种进化方向，包含在自适应无线电中。

1.2.1可重构无线电

可重构无线电是可以通过软件控制来改变硬件功能的无线电。可重构无线电可以是软件无线电也可以是硬件无线电。更新内容可以是物理层波形，甚至是协议层。更新范围可以是一部分，也可以是全部。如果通过远程网络命令来更新软件，当能在线快速更新时，具有SDR的优势；但当需要断电更新时，受到的限制比较多。可重构无线电与认知无线电没有必然关系。

1.2.3基于策略的无线电

基于策略的无线电可以在不改变内部软件的前提下通过更新来适应新的监管政策。例如因特网路由器就是基于策略的。认知无线电可以采用基于策略无线电的技术，但是基于策略的无线电与认知无线电没有必然关系。

1.2.4智能无线电

智能无线电是根据以前或当前情况对未来进行预测，并提前进行调整的无线电。认知无线电还包括了对以前的结果进行学习、决策和调整的功能。智能无线电实现了认知无线电的部分功能，包含在认知无线电中。

2认知无线电核心技术

认知无线电本质是一种无线电体系结构。作为通信系统的结构，我们首先关心其输入信号。认知无线电是一种具有4种输入的技术，即对自己的工作环境的理解、用户对通信系统需求的理解、对应该使用哪种规范策略的理解以及对自身能力的理解。掌握了这四种输入之后，认知无线电起作用的过程可以看作是一个“观测、决策和行动”的循环（observe，decide，act cycle），如图1所示。正因为是一个循环，这个过程由行动来拉动。当某种通信活动即将开始，这就确定了通信的性能需求，也就是对于通信活动的条件；为了完成这些要求，必须掌握足够的信息指导判断，获得四种输入以观测当前状态，掌握能够调节的项目和可调节的范围；决策的输入来自观测过程，决策也分为单边决策和多边决策两种。制定决策的过程包括优化、功能支持和学习等方面。

2.1行动过程

根据预期的发射和接收性能设置通信系统发射和接收的参数。决定调节的网络层级是在物理层还是更高层。此过程受到硬件条件和通信环境的限制。最重要的是在可靠通信的前提下避免或者减小干扰。

2.2观测过程

观测过程主要有4种方式：正常运行时的实时监测、借助专门硬件的检测、对检测内容的信号分析结果，以及从以往经验中学习到的运行环境参数。在观测过程中，确定外部环境频谱占用情况的过程称之为频谱感知，检测其他用户信号的方法有能量检测、匹配滤波和特征检测三种。频谱感知又分为非协作频谱感知和协作频谱感知两大类，前者由单用户节点进行；后者则需要多个用户分享各自的感知信息。协作频谱感知分为集中式和分布式，集中式需要一个可以收集所有节点信息的主要节点，类似于基站；而分布式的没有主节点，各自与其邻节点交换信息。除此之外还可通过访问数据库和频谱感知网络来获得信息。

2.3决策过程

决策过程主要分为两类：一类是配置自身相关参数，充分利用频谱等资源，并避免干扰其他用户；另一类是当可用资源变化时，认知无线电重新配置自身相关参数，并重新定位周围环境资源。简单说来就是在频谱接入时选择能量适中不干扰他人的通信参数；在频谱被占用时重新观测和配置并快速接入。

3认知无线电发展现状

3.1与不同学科交叉

在决策中需要从多种方案和可能中进行优化，并假定优化条件辅助判断，进而进行归纳和推理，达到学习的目的并最终指导决策；所以这部分内容与许多学科发生交叉，比如人工智能AI（artificial intelligence）和博弈论。人工智能技术的应用，可以在认知无线电中引入专家诊断系统，进行案例推理，使用遗传算法或者神经网络算法等等。当接入频谱采用协商式频谱共享方式时，问题核心是主/次用户问的竞争与合作。由于博弈论广泛应用于分析、设计高效的共享竞争策略，近几年将博弈论应用于认知无线电领域，有不少代表性的研究工作。在四种典型的博弈论模型中，古诺模型为二级用户争取频谱带宽，伯特兰德模型解决用户收费，纳什议价获得所有二级用户收益最大值，势博弈着眼于信道质量的提升。

认知无线电技术并不能保证无线网络传输数据在链路层的频谱效率，只有把认知无线电设备通过中继协作等与主要的无线系统共存使用，才能进一步提高频谱利用率。认知无线电技术与网络技术结合，产生认知无线电网络CRN（cognitive Radio Networks）技术。

3.2目前的热点方向

3.2.1认知OFDM系统

第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为核心技术。OFDM技术实际上是多载波调制的一种。具有频谱利用率高、抗衰落能力强、适合高速数据传输和抗码间干扰（ISI）能力强等特点。与认知无线电技术结合后的系统具有频谱感知、频谱成形、自适应和抗窄带干扰等特点。

3.2.2认知MIMO系统

多输人多输出（MIMO）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。与认知无线电结合后，能够提供载波频率和复用增益的双重灵活性。

3.2.3认知超宽带系统

2002年2月，FCC制定的关于超宽带UWB的法规获得通过，定义“-10dB功率点处的相对带宽大于20%或者射频带宽大于500MHz的信号”为超宽带信号。超宽带信号会对共享频段的窄带信号产生干扰，自身也会受到其他系统在某频段的强干扰。认知超宽带CUWB（Cognitive Ultra WideBand）系統将结合两种技术的优点，是一种基于频谱感知的具有自适应功率掩蔽、自适应频谱接入能力的新型超宽带系统。

3.3未来的热点方向

3.3.1农村地区应用

农村地广人稀，无线频谱资源分布不均。但是由于人少，在频域、时域和空域都有丰富的资源。认知无线电能带来低成本的通信服务，是一种有效选择方案。

3.3.2蜂窝移动网

在异构网络中，不同频段要运行多种无线接入网络，终端要能够重新分配，某些终端还要在不同的无线接人网络上支持多个同步连接。这时的通信带宽增大，环境变化要求终端能够快速切换网络来保证稳定性。未来的5G网络中也期待认知无线电技术支持。

3.3.3军事通信

认识无线电技术在军事上主要的应用场景包括三个方面：认知抗干扰通信，根据干扰信号选择抗干扰通信策略，提高抗干扰水平甚至实现反干扰；战场电磁环境感知，将电磁环境感知与通信结合在一起，既能通信又能组成电磁环境感知网络；战场电磁频谱管理，同时实现频谱监测和管理，提高频谱监测网络的覆盖范围，拓宽频谱管理的涵盖频段。

除此之外，在安全方面和应急通信方面，都有认知无线电技术可以发挥的平台。认知无线电技术不仅能有效地使用频谱，而且具有灵活、增强容错能力和提高能量效率等特点，具有广阔的应用前景。