基于認知無(wú)線(xiàn)電的高效頻譜利用技術(shù)

摘要：以認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（CR）為基礎，介紹動(dòng)態(tài)頻譜感知，頻譜管理和頻譜共享方面的技術(shù)。認知無(wú)線(xiàn)電設備可以利用此類(lèi)技術(shù)對頻譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，提高頻譜利用率。
關(guān)鍵詞：認知無(wú)線(xiàn)電、頻譜感知、頻譜管理、頻譜共享
Spectrum Utilization Effectively Technology Based on Cognitive Radio
Liu Qingfeng，Chen Jinying, Li junting, Zuo Youfu
(1。College of Information Engineering of Chengdu University Of Technology;)
Abstract: In this paper, we propose Spectrum Sensing, Spectrum Managing and Spectrum sharing based on Cognitive Radio. Cognitive Radio facilities can take advantage of those technologies to dynamically manage spectrum to use spectrum utilization effectively.
Key words: Cognitive radio、Spectrum Sensing、Spectrum Managing、Spectrum sharing

1 引言
無(wú)線(xiàn)頻譜是一種珍貴的自然資源，它的分配利用通常是由無(wú)線(xiàn)電法規部門(mén)確定的。目前世界各國采用的是基于靜態(tài)（固定）頻帶分配的原則與方案。一個(gè)頻段一般僅供一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統獨立使用，不同的無(wú)線(xiàn)通信系統使用不同的頻段，互不干擾，這種靜態(tài)的無(wú)線(xiàn)頻譜管理方式簡(jiǎn)單而有效地避免了不同無(wú)線(xiàn)通信系統間的相互干擾。然而這也使得當前頻譜資源日趨缺乏。2002年11月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）發(fā)布了一項由Spectrum-Policy Task Force提交的旨在有效管理美國頻譜資源的報告。該報告明確指出：“在許多頻帶，頻譜的準入是一個(gè)比頻譜本身稀缺更加重要的問(wèn)題，很大程度上由于法規限制了這些頻譜上的潛在用戶(hù)獲得準入?！笔聦?shí)確實(shí)如此，美國Shared spectrum公司在2004年1月到2005年8月間，對美國30DD300000MHZ頻段的頻譜使用情況調查發(fā)現該頻段的平均利用率只有5.2％，其中使用率最高的地區紐約僅為13.1％，使用率最低的是分配給無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)的頻段，利用率僅有1％?？梢?jiàn)擁塞頻段的用戶(hù)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)其他空閑頻段的靜態(tài)頻譜管理的問(wèn)題，大大限制了頻譜使用率。為此，提高頻譜利用率，便成為人們日益關(guān)注的問(wèn)題。

2 認知無(wú)線(xiàn)電概述
瑞典皇家技術(shù)學(xué)院的J Mitola于1999年在軟件無(wú)線(xiàn)電的基礎上，提出了認知無(wú)線(xiàn)電（CR，Cognitive Radio）的概念，希望利用這種新的技術(shù)，靈活有效地動(dòng)態(tài)管理頻譜資源的使用，提高頻率的利用率。CR從定義上講是一種智能無(wú)線(xiàn)通信系統，它能感知周?chē)h(huán)境，運用“理解―構建”的方法從周?chē)h(huán)境中獲取信息，并通過(guò)實(shí)時(shí)改變諸如傳輸功率、載頻、調制方式等傳輸參數來(lái)適應運行環(huán)境的變化。從原理上講，CR能夠通過(guò)對它所工作的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的交互感知而自動(dòng)改變自身的發(fā)送和接入參數，動(dòng)態(tài)地重復使用可用頻譜。這種交互感知包括被動(dòng)的頻譜感知或者是基于認知無(wú)線(xiàn)電本身的只能學(xué)習推理能力與其他頻譜用戶(hù)進(jìn)行主動(dòng)通信和協(xié)商的過(guò)程。通過(guò)優(yōu)化自主調節自身的發(fā)射與接收特性以適應周?chē)臒o(wú)線(xiàn)環(huán)境，CR的無(wú)線(xiàn)鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層能以最優(yōu)化的方式在有限的信號空間中有效的傳輸信息，為日益擁擠的無(wú)線(xiàn)通信系統和設備實(shí)現頻譜資源的高效利用，共存、兼容和互動(dòng)的展現了美好的前景。
學(xué)術(shù)界和IEEE標準化組織越來(lái)越對CR技術(shù)感興趣，并將其稱(chēng)為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的“下一個(gè)大事件”。

3 認知無(wú)線(xiàn)電高效利用頻譜的關(guān)鍵技術(shù)
CR的最終目標是通過(guò)頻譜感知，頻譜管理與共享而獲得最佳的可用頻譜。由于多數頻譜已經(jīng)被分配掉了，因此最大的挑戰就是如何與法定用戶(hù)共享頻譜而不對其產(chǎn)生干擾。CR對暫時(shí)沒(méi)有被利用的頻譜稱(chēng)為頻譜孔或空白段，如果這一頻段隨后被法定用戶(hù)使用了，那么CR視具體情況，或轉移到另外一個(gè)頻譜孔，或繼續使用這段頻段。
3。1 頻譜感知
認知無(wú)線(xiàn)電能夠靈敏感知周?chē)h(huán)境的變化，通過(guò)頻譜感知功能發(fā)現頻譜孔，使其與周?chē)ㄐ怒h(huán)境相適應。由于第一用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有義務(wù)改變它的結構與CR網(wǎng)絡(luò )共享頻譜，因此CR只能獨立地、可靠地通過(guò)連續的頻譜感知對法定用戶(hù)進(jìn)行探測，這是認知無(wú)線(xiàn)電的一項核心功能。最有效的探測方法就是探測在它通信范圍內的，正在接受數據的法定用定。在這里，法定用戶(hù)也可以被稱(chēng)為第一用戶(hù)，此時(shí)CR用戶(hù)就相應地被稱(chēng)為第二用戶(hù)。
在進(jìn)行探測時(shí)，不同類(lèi)的第一用戶(hù)具有不同的感知靈敏度要求，比如電視接收器的靈敏度比GPS接收機的靈敏度差，電視廣播信號比GPS信號容易探測得到。因此，CR的靈敏度應超過(guò)第一用戶(hù)接收機的靈敏度，以避免隱蔽終端問(wèn)題。這是頻譜感知十分具有挑戰性的關(guān)鍵原因，既要滿(mǎn)足每一類(lèi)第一用戶(hù)的靈敏度要求并且要有額外的30～40db的余量，需要如此余量的原因在于: CR很難對第一用戶(hù)的發(fā)射機和接收機之間的信道進(jìn)行測量，只能根據對第一用戶(hù)的發(fā)射機的探測所作出的本地信道情況的測量而定。
由于無(wú)線(xiàn)電環(huán)境是隨時(shí)變化的，同時(shí)也因為第一用戶(hù)種類(lèi)的不同，傳播損失的不同、干擾等因素，頻譜感知功能的實(shí)現需要CR高度的靈活性。在設計方面最主要的挑戰性來(lái)自于如何定義射頻結構，使其在線(xiàn)性、抽樣頻率、準確性和功率等方面達成折中平衡。這樣，數字信號處理的技術(shù)就可以應用到感知功能中去，這也推動(dòng)了信號處理方面的研究，以降低對于大寬帶情景下的模擬期間尤其是寬帶放大器，混頻器和模數轉換器的挑戰性要求。
總的來(lái)講，頻譜感知技術(shù)可以歸納為對發(fā)射機探測，合作探測和基于干擾的探測，如圖1所示。

圖1 頻譜感知技術(shù)的分類(lèi)

3。2 頻譜管理
認知無(wú)線(xiàn)電通過(guò)頻譜感知功能探測到的未被使用的頻帶可能分散在包括許可頻帶和非許可頻帶的很廣的頻域上，它們具有不同的諸如中心頻率、帶寬等動(dòng)態(tài)頻譜特征，并且能被使用的時(shí)間也不同。因此，頻譜管理最主要的問(wèn)題是設計一個(gè)有效的、高效的利用頻譜的自適應策略。比如，假設存在一組可用頻譜孔，動(dòng)態(tài)頻譜管理在CR不能達到用戶(hù)要求（如滿(mǎn)足不了FER要求）的情況下，能夠選擇一個(gè)更有效的調制策略或者選擇另外一個(gè)可用的頻譜孔來(lái)提高通信的可靠性，主要包括頻譜分析和頻譜判決兩個(gè)方面。首先通過(guò)頻譜分析，歸納出在CR網(wǎng)絡(luò )中可用頻譜孔在不同時(shí)間段內具有的頻譜特征，一旦所有的可用頻譜特性被分析出來(lái)，CR應根據QoS的要求，為當前的傳輸選擇適當的運行頻段。