淺談?wù)J知無(wú)線(xiàn)電

本文通過(guò)對認知無(wú)線(xiàn)電（CR）的概念、提出的背景、特點(diǎn)、原理的介紹，分析了它的若干關(guān)鍵技術(shù)，并說(shuō)明了它的頻譜管理思想、發(fā)展現狀，最后提及了它與軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR）的關(guān)系。研究認為，現階段應把CR和SDR技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，待各自技術(shù)相對成熟后，再將SDR技術(shù)融合到CR中，實(shí)現真正意義上的CR。
[關(guān)鍵詞] CR； 關(guān)鍵技術(shù)； SDR
[Abstract] This essay introduces the definition、background、characteristic、principle of Cognitive Radio,CR, and we analyze its several key technologies, besides, we talk about its management ideas、the present situation of development, and in the end, we connect it with SDR. This essay point that now we should connect CR with SDR, and we could merge SDR into CR when technology develops and realize real CR.
[Key words] CR; key technologies; SDR

引 言
現代社會(huì )中，無(wú)線(xiàn)頻譜已成為不可或缺的寶貴資源。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）的大量研究表明，一些非授權頻段如工業(yè)、科學(xué)和醫用頻段以及用于陸地移動(dòng)通信的2GHz左右的頻段過(guò)于擁擠，而有些頻段卻經(jīng)?？臻e。于是人們想到，若有一種系統,它能自動(dòng)感知所處的頻譜環(huán)境，發(fā)現頻譜空洞(暫時(shí)沒(méi)有被主用戶(hù)使用的頻段)并利用它，就能在很大程度上提高頻譜利用率?；谶@種思想，人們提出了認知無(wú)線(xiàn)電。

1 認知無(wú)線(xiàn)電概念
認知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio,CR) 的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作[1]。它可以通過(guò)學(xué)習、理解等方式，自適應的調整內部的通信機理、實(shí)時(shí)改變特定的無(wú)線(xiàn)操作參數（如功率、載波調制和編碼等）等，來(lái)適應外部無(wú)線(xiàn)環(huán)境，自主尋找和使用空閑頻譜。它能幫助用戶(hù)選擇最好的、最適合的服務(wù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，甚至能夠根據現有的或者即將獲得的無(wú)線(xiàn)資源延遲或主動(dòng)發(fā)起傳送。

2 認知無(wú)線(xiàn)電特點(diǎn)
對環(huán)境的感知能力：此特點(diǎn)是CR技術(shù)成立的前提，只有在環(huán)境感知和檢測的基礎上，才能使用頻譜資源。頻譜感知的主要功能是監測一定范圍的頻段，檢測頻譜空洞。
對環(huán)境變化的學(xué)習能力、自適應性：此特點(diǎn)體現CR技術(shù)的智能性，在遇到主用戶(hù)信號時(shí)，能盡快主動(dòng)退避，在頻譜空洞間自如的切換。
通信質(zhì)量的高可靠性：要求系統能夠實(shí)現任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信，能夠準確地判定主用戶(hù)信號出現的時(shí)間、地點(diǎn)、頻段[2]等信息，及時(shí)調整自身參數，提高通信質(zhì)量。
系統功能模塊的可重構性：CR設備可根據頻譜環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，也可通過(guò)硬件設計，支持不同的收發(fā)技術(shù)?？梢灾貥嫷膮蛋ǎ汗ぷ黝l率、調制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。

3 認知無(wú)線(xiàn)電原理
認知無(wú)線(xiàn)電原理如圖1所示,由圖可看出,CR設備對周?chē)h(huán)境感知、探測、分析，這種探測和感知是全方位的，應對地形、氣象等綜合信息也有所了解。由此圖也可得出，CR是高智能設備，應包含一個(gè)智能收發(fā)器。有了足夠的人工智能，它就能吸取過(guò)去的經(jīng)驗對實(shí)際情況進(jìn)行響應，過(guò)去的經(jīng)驗包括對死區、干擾和使用模式等的了解。它的學(xué)習能力是使它從概念走向應用的真正原因。

圖1：認知無(wú)線(xiàn)電原理圖
當CR用戶(hù)發(fā)現頻譜空洞，使用已授權用戶(hù)的頻譜資源時(shí)[3]，必須保證它的通信不會(huì )影響到已授權用戶(hù)的通信，一旦該頻段被主用戶(hù)使用，CR有兩種應對方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續使用該頻段，改變發(fā)射頻率或調制方案，避免對主用戶(hù)的干擾。

4 認知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)
4．1 頻譜檢測技術(shù)
頻譜檢測是在復雜的環(huán)境中監測出CR可以使用的頻譜空隙，下圖2是實(shí)際中的操作圖：

圖2:實(shí)際中的頻譜檢測圖
上圖中，左邊部分是對所處環(huán)境的處理，掌握環(huán)境的各種信息是正確判決頻譜信息的前提，如何從復雜環(huán)境中提取有用的信息，需要科研人員綜合各種技術(shù)。
對環(huán)境的處理主要考慮CR設備的無(wú)縫接入、安全性、隱私性、數據學(xué)習能力、跟蹤能力、數據動(dòng)態(tài)管理、定位、感知等。下面主要介紹無(wú)縫接入。
無(wú)縫接入保證了動(dòng)態(tài)環(huán)境中CR的精確性，實(shí)現它主要有兩種方法：基于波形的方法和基于環(huán)境感知的方法。前一種在定位系統和波形轉換器中裝有標準波形，需要的時(shí)候隨時(shí)調用。歐洲的SPACE項目利用了此方法，該模型由定位系統、波形器、算法選擇器、傳感器等組成。第二種方法是感知信道環(huán)境的參數，據此選擇正確的算法。在未知環(huán)境中，基于RSS的定位分析算法已被廣泛采用，此算法綜合分析了CR設備的定位參數和在信道環(huán)境中設備的損失參數，經(jīng)傳感器輸出信號保證無(wú)縫接入。后一種方法比前一種方法的復雜度低，CR被認為應具有兩種方法。
目前頻譜檢測研究較多的方法有：匹配濾波器法、能量檢測法、循環(huán)平衡特定檢測法等。
匹配濾波器法：若CR用戶(hù)已預先得知主用戶(hù)信號的各種信息，在加性高斯噪聲信道中，此法能得到最佳的效果，它能使接收信號的信噪比最大化。它的缺點(diǎn)是CR需要主用戶(hù)的信息，適用于對主用戶(hù)信息比較了解的頻譜環(huán)境中，如大家已熟悉的超高頻電視頻段中。
能量檢測法：能量檢測法適用于不知道主用戶(hù)信息的環(huán)境中，針對此方法，FCC提出了干擾溫度限這一新的度量概念，干擾溫度在它以下的信道就是適宜的頻譜空穴。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是干擾溫度限較難設定，它的門(mén)限值需視具體的環(huán)境而定[4]。
循環(huán)平衡特定檢測法：在通信中，有用信號一般受人工周期信號的調制，有潛在的周期性，而噪聲沒(méi)有這個(gè)特性，此方法就是利用這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行檢測的，比較適合于噪聲環(huán)境中。它的缺點(diǎn)是算法復雜計算量大，檢測時(shí)間相對長(cháng)一些。
4．2 認知無(wú)線(xiàn)電中的頻譜管理
現階段，有人把頻譜劃分為三個(gè)等級：第一等級：嚴格管理、不可干擾；第二等級：在一定程度上可被非授權用戶(hù)干擾；第三等級：無(wú)限制的使用。目前CR的頻譜管理思想仍沒(méi)有達成共識。好的管理思想應能體現CR的優(yōu)勢，提高頻譜利用率，以適應現代社會(huì )的需要。當前，一些標準化組織先后制定了一系列標準以推動(dòng)該技術(shù)在多種應用場(chǎng)景下的發(fā)展。目前各種基于CR的頻譜管理思想和管理規則仍在研究之中。

5 認知無(wú)線(xiàn)電發(fā)展現狀
目前，CR主要處于初級階段，各項理論和技術(shù)處于研究探索中，但它已得到了各界的關(guān)注，很多著(zhù)名學(xué)者和機構都投入到它的研究中，啟動(dòng)了很多針對此的重要研究項目。最引人關(guān)注的是IEEE802.22工作組的工作，該工作組制訂了利用空閑電視頻段進(jìn)行寬帶無(wú)線(xiàn)接入的技術(shù)標準，這是第一個(gè)引入認知無(wú)線(xiàn)電概念的IEEE技術(shù)標準化活動(dòng)。無(wú)線(xiàn)電知識描述語(yǔ)言(RKRL)也應運而生。近期CR的主要目標是提高頻譜利用率，研究預計，頻譜利用率將提高3%-10%不等[5]。它的長(cháng)遠目標是與各項技術(shù)更好的結合，滿(mǎn)足日益增長(cháng)的用戶(hù)對頻譜的要求。目前，認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)炙手可熱，應用前景一片大好。有報道稱(chēng)具有認知功能的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)產(chǎn)品將在近一兩年內問(wèn)世，但是要真正實(shí)現CR技術(shù)還需解決包括頻譜檢測技術(shù)、自適應頻譜資源分配技術(shù)和無(wú)線(xiàn)頻譜管理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

6 認知無(wú)線(xiàn)電與軟件無(wú)線(xiàn)電的關(guān)系
認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是在軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)(SDR)的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新的智能無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它是SDR的擴展，它使SDR從預先定義協(xié)議的盲目執行者轉變成無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的智能代理。CR最基本的形式，是包含SDR的一種混合技術(shù)，其中SDR被應用于擴頻通信，SDR關(guān)注的是無(wú)線(xiàn)電系統信號處理的實(shí)現方式；而CR是指無(wú)線(xiàn)系統能夠感知操作環(huán)境的變化，并據此調整系統工作參數[6]。從這個(gè)意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據相應的任務(wù)、政策、規則和目標進(jìn)行推理和規劃的高層功能。本文認為，在現階段，我們可以利用SDR和CR的各自?xún)?yōu)勢，讓SDR主要完成后臺工作，比如信號處理和相應的算法，CR根據SDR的處理結果智能的選擇頻譜空洞，它們明確的分工合作，可以提高效率。當CR監測到頻譜空洞后，將此頻譜的相關(guān)信息發(fā)送到SDR端，比如主用戶(hù)的信息：調制方式、時(shí)序、封裝格式等， SDR做分析處理，在SDR端，快速的處理保證了CR的實(shí)時(shí)性。待技術(shù)成熟后，可以考慮綜合利用各種技術(shù)，擴大CR功能，將SDR轉移結合到CR中，實(shí)現系統的優(yōu)化。

結 論
認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的提出，為解決頻譜資源不足、實(shí)現頻譜動(dòng)態(tài)管理及提高頻譜利用率提供了強有力的技術(shù)支撐。為頻譜資源的充分利用提供了非常有力的支持[7]，它將成為下一波有沖擊性的技術(shù)革新浪潮?，F階段人們正在研究探索實(shí)現CR的各項技術(shù)，本文認為，可以先將它與SDR結合，待技術(shù)成熟后，再擴大CR功能，做成優(yōu)良的CR成品。