認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)用戶(hù)的數量急劇增加，使得頻譜資源變得越來(lái)越緊張，如何充分提高無(wú)線(xiàn)頻譜的利用率成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)提出了一種新的解決思路，其核心思想就是使無(wú)線(xiàn)通信設備具有發(fā)現“頻譜空洞”并合理利用所發(fā)現的“空洞”的能力。雖然認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能以更為靈活的方式來(lái)管理有限的頻譜資源，但要真正將其應用于實(shí)際通信系統還需解決包括頻譜檢測、自適應頻譜資源分配和無(wú)線(xiàn)頻譜管理等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)提出的背景

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源變得越來(lái)越緊張。尤其是隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )(WPAN)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人通過(guò)這些技術(shù)以無(wú)線(xiàn)的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò )技術(shù)大多使用非授權的頻段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，這些網(wǎng)絡(luò )所工作的非授權頻段已經(jīng)漸趨飽和。而另外一些通信業(yè)務(wù)(如電視廣播業(yè)務(wù)等)需要通信網(wǎng)絡(luò )提供一定的保護，使他們免受其他通信業(yè)務(wù)的干擾。為了提供良好的保護，頻率管理部門(mén)專(zhuān)門(mén)分配了特定的授權頻段(LFB)以供特定通信業(yè)務(wù)使用。與授權頻段相比，非授權頻段的頻譜資源要少很多(大部分的頻譜資源均被用來(lái)做授權頻段使用)。而相當數量的授權頻譜資源的利用率卻非常低。于是就出現了這樣的事實(shí)：某些部分的頻譜資源相對較少但其上承載的業(yè)務(wù)量很大，而另外一些已授權的頻譜資源利用率卻很低。因此，可以得出這樣的結論：基于目前的頻譜資源分配方法，有相當一部分頻譜資源的利用率是很低的。

　　為了解決頻譜資源匱乏的問(wèn)題，基本思路就是盡量提高現有頻譜的利用率。為此，人們提出了認知無(wú)線(xiàn)電的概念。認知無(wú)線(xiàn)電的基本出發(fā)點(diǎn)就是：為了提高頻譜利用率，具有認知功能的無(wú)線(xiàn)通信設備可以按照某種“伺機(Opportunistic Way)”的方式工作在已授權的頻段內。當然，這一定要建立在已授權頻段沒(méi)用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動(dòng)的情況下。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現的可以被利用的頻譜資源被稱(chēng)為“頻譜空洞”。認知無(wú)線(xiàn)電的核心思想就是使無(wú)線(xiàn)通信設備具有發(fā)現“頻譜空洞”并合理利用的能力。

　　當非授權通信用戶(hù)通過(guò)“借用”的方式使用已授權的頻譜資源時(shí)，必須保證他的通信不會(huì )影響到其他已授權用戶(hù)的通信。要做到這一點(diǎn)，非授權用戶(hù)必須按照一定的規則來(lái)使用所發(fā)現的“頻譜空洞”。在認知無(wú)線(xiàn)電中，這樣的規則是以某種機器可理解的形式(如XML語(yǔ)言)加載到通信終端上。由于這些規則可以隨時(shí)根據頻譜的利用情況、通信業(yè)務(wù)的負荷與分布等進(jìn)行不斷的調整，因此通過(guò)這些規則，頻譜管理者就能以更為靈活的方式來(lái)管理寶貴的頻譜資源。

2 認知無(wú)線(xiàn)電的歷史和概念

　　從以上介紹可以看出，為了提高頻譜利用率，可以充分利用檢測到的“頻譜空洞”。這是認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的一項應用。但是，作為一個(gè)全新概念提出的認知無(wú)線(xiàn)電，其涵蓋面則更為廣泛。認知無(wú)線(xiàn)電的基本定義可歸納為[1]：認知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio)是可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統。認知無(wú)線(xiàn)電系統通過(guò)學(xué)習，不斷地感知外界的環(huán)境變化，并通過(guò)自適應地調整其自身內部的通信機理來(lái)達到對環(huán)境變化的適應。這樣的自適應調整一方面是為了改進(jìn)系統的穩定性，另一方面是為了提高頻譜資源的利用率。由此可以總結出認知無(wú)線(xiàn)電所具有的特點(diǎn)是：

　　*對環(huán)境的感知能力

　　*對環(huán)境變化的學(xué)習能力

　　*對環(huán)境變化的自適應性

　　*通信質(zhì)量的高可靠性

　　*對頻譜資源的充分利用

　　*系統功能模塊的可重構性

　　認知無(wú)線(xiàn)電是由MITRE公司的顧問(wèn)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院Joseph Mitola博士生和GERALD Q MAGUIRE, JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上明確提出的[2]，是對軟件無(wú)線(xiàn)電的進(jìn)一步的擴展。認知無(wú)線(xiàn)電采用無(wú)線(xiàn)電域的基于模型的方法對控制無(wú)線(xiàn)電頻譜使用的規則(如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時(shí)間模式等)進(jìn)行推理，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電知識表示語(yǔ)言(RKRL)[3]，表述無(wú)線(xiàn)電規則、設備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡(luò )、用戶(hù)需求和應用場(chǎng)景的知識，以增強個(gè)人業(yè)務(wù)的靈活性，使軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能更好地滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

　　盡管沒(méi)有成熟的認知無(wú)線(xiàn)電的標準和法規，但無(wú)線(xiàn)業(yè)界的強烈感覺(jué)是認知無(wú)線(xiàn)電將成為下一波有沖擊性的技術(shù)革新浪潮。IEEE于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作組——無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)絡(luò )(WRAN)工作組，計劃2007年下半年完成標準化工作。其目的是研究基于認知無(wú)線(xiàn)電的物理層、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層和空中接口，以無(wú)干擾的方式使用已分配給電視廣播的頻段。將分配給電視廣播的甚高頻/超高頻(VHF/UHF)頻帶(北美為54 MHz～862 MHz)的頻率用作為寬帶接入頻段。

　　美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)2003年12月就相當于美國《電波法》的《FCC規則第15章(FCC rulePart15)》，公布了修正案，明確只要具備認知無(wú)線(xiàn)電功能，即使是其用途未獲許可的無(wú)線(xiàn)終端，也能使用需要無(wú)線(xiàn)許可的現有無(wú)線(xiàn)頻帶。FCC在推進(jìn)智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)的同時(shí)還將放寬有關(guān)限制。

　　針對認知無(wú)線(xiàn)電，美國國防部提出下一代無(wú)線(xiàn)通信(XG)的項目，2004年該項目進(jìn)入第三個(gè)研究階段，投資1 700萬(wàn)美元，預計在2006年底完成第三階段的研究。該項目將研制和開(kāi)發(fā)頻譜捷變無(wú)線(xiàn)電(Spectrum Agile Radios)，這些無(wú)線(xiàn)電臺在使用法規的范圍內，可以動(dòng)態(tài)自適應變化的無(wú)線(xiàn)環(huán)境，在不干擾其他正常工作無(wú)線(xiàn)電臺的前提下，可以使接入的頻譜范圍擴大近10倍。

3 認知無(wú)線(xiàn)電的應用場(chǎng)景

　　考慮一個(gè)工作在非授權頻段(如免授權國家信息基礎設施頻段)的無(wú)線(xiàn)通信終端(遵循Wi-Fi規范)。在其工作的免授權國家信息基礎設施(U-NII)頻段，通信業(yè)務(wù)非常繁忙(近乎達到飽和狀態(tài))。這樣的工作頻段已無(wú)法滿(mǎn)足其他通信終端新的業(yè)務(wù)請求。鑒于這種情況，頻譜管理機構(如FCC)將選擇利用率較低的其他已授權頻段(如電視廣播頻段中若干未被使用的頻譜資源)。這樣的頻段可以被暫時(shí)用來(lái)支持非授權頻段上那些未能接入其系統的通信業(yè)務(wù)。為此，頻譜管理機構將生成一套使用已授權頻段的法規(這些法規將指導并約束著(zhù)非授權用戶(hù)去合理地使用授權頻段)。這些法規由頻譜管理機構以某種機器可以理解的方式發(fā)布。

　　具有認知無(wú)線(xiàn)電功能的非授權用戶(hù)定期地搜索并下載相應的頻譜使用法規。獲得最新的頻譜使用法規之后，非授權用戶(hù)將根據這些法規，對自身的通信機制進(jìn)行調整(通信機制可能包括：工作的頻段、發(fā)射功率、調制解調方式以及多址接入策略等)。為了使周邊的通信終端盡快獲得更新了的法規，獲得最新法規的終端還將其所獲得的法規廣播出去。當然，對那些不具備認知無(wú)線(xiàn)電能力的通信終端來(lái)說(shuō)，這樣的廣播信息將被忽略。

　　對于具有認知能力的通信終端，除了獲得最新的頻譜使用規則外，另外一項很重要的工作就是完成對“頻譜空洞”的檢測。對“頻譜空洞”的檢測實(shí)際上就是完成對周邊通信環(huán)境的認知。根據檢測到的“頻譜空洞”的特性(如“空洞”的帶寬等)和獲得的頻譜使用法規，通信終端產(chǎn)生出合理使用該“空洞”的具體行為。
以工作在非授權頻段的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信終端為例，可以說(shuō)明認知無(wú)線(xiàn)電的可能的應用場(chǎng)景。當然，從認知無(wú)線(xiàn)電的定義可以看出認知無(wú)線(xiàn)電的概念涵蓋面極寬，其應用場(chǎng)景絕不僅限于此。

　　認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統中有著(zhù)廣泛的用途?；贗EEE 802.11b/g和IEEE 802.11a的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設備工作在2.4 GHz和5 GHz的不需授權的頻段上。然而在這個(gè)頻段上，可能受到包括藍牙設備、HomeRF設備、微波爐、無(wú)繩電話(huà)以及其他一些工業(yè)設備的干擾。具有認知功能的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)可以通過(guò)接入點(diǎn)對頻譜的不間斷掃描，從而識別出可能的干擾信號，并結合對其他信道通信環(huán)境和質(zhì)量的認知，自適應地選擇最佳的通信信道。另外，具有認知功能的接入點(diǎn)，在不間斷正常通信業(yè)務(wù)進(jìn)行的同時(shí)，通過(guò)認知模塊對其工作的頻段以及更寬的頻段進(jìn)行掃描分析，從而可以盡快地發(fā)現非法的惡意攻擊終端。這樣的技術(shù)可以進(jìn)一步增強通信網(wǎng)絡(luò )的安全性。同樣，將這樣的認知技術(shù)應用在其他類(lèi)型的寬帶無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中也會(huì )進(jìn)一步提高系統的性能和安全性。

4 認知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 頻譜檢測技術(shù)

　　認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠感知并分析特定區域的頻段，找出適合通信的“頻譜空洞”，利用某些特定的技術(shù)和處理，在不影響已有通信系統的前提下進(jìn)行工作。因而，從認知無(wú)線(xiàn)電工作流程上可以看到(如圖1所示)，為了在某個(gè)地域上應用認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，最先進(jìn)行的工作是對該地無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境的感知，即頻譜檢測和“空洞”搜尋與判定。
如果將待查的頻段分為3種不同的情況：黑空，存在高功率的干擾；灰空，存在低功率的干擾；白空：僅存在環(huán)境噪聲量，包括熱噪聲、瞬時(shí)反射、脈沖噪聲等。那么頻譜檢測的任務(wù)就是查找適合認知無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)的白空，同時(shí)對工作頻段在黑空(或灰空)和白空之間的轉變進(jìn)行監測。

　　在認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中，進(jìn)行頻譜檢測即對所觀(guān)察的頻段進(jìn)行干擾溫度的估計。干擾溫度可以看作是頻段內的干擾功率譜密度，它的設定是用來(lái)量化和管理無(wú)線(xiàn)環(huán)境中的干擾問(wèn)題。針對經(jīng)過(guò)譜估計得到的干擾溫度，可以給出干擾溫度界限。通過(guò)干擾溫度界限可以對觀(guān)測的“頻譜空洞”進(jìn)行選擇，超過(guò)界限的干擾或其他噪聲都是不符合通信要求的頻譜。

　　通常在接收端進(jìn)行干擾溫度的測量，并搜尋“頻譜空洞”，將獲得的信息通過(guò)系統預設的反饋信道傳送至發(fā)送端，并據此進(jìn)行發(fā)射功率控制處理和動(dòng)態(tài)頻譜管理；在發(fā)射端和接收端也可以采用自適應的波束成型技術(shù)，進(jìn)一步補充的干擾控制。

　　在認知無(wú)線(xiàn)電感知無(wú)線(xiàn)環(huán)境的工作中，如何進(jìn)行高效的無(wú)線(xiàn)頻譜估計和分析是關(guān)鍵技術(shù)之一。頻譜分析是一項相對比較成熟的數字信號處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展，形成了眾多各具特色的算法和理論。在認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中，可以利用這些已有的算法進(jìn)行無(wú)線(xiàn)環(huán)境的觀(guān)測。當然，由于認知無(wú)線(xiàn)電的特殊性質(zhì)，需要在一定通信區域空間領(lǐng)域、較寬的頻域、以及時(shí)域進(jìn)行頻譜分析，這就要求對眾多頻譜分析算法進(jìn)行合適的選取和改動(dòng)。

　　認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中通常采用的頻譜分析算法是多窗譜估計算法。該算法使用多個(gè)離散扁球體序列作為正交窗函數。經(jīng)過(guò)這種窗函數濾波后的信號在有限采樣點(diǎn)時(shí)的傅氏變換具有極佳的能量集中特性，是一種接近最優(yōu)的方法。這種特性使得在降低頻譜估計的方差時(shí)不會(huì )影響估計的偏差，因而具有較好的計算性能和應用價(jià)值。

　　在認知無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域進(jìn)行干擾溫度估計時(shí)，為了能夠更好地感知待測區域內的干擾溫度，在頻譜分析算法中引入了空間的概念，通常會(huì )用大量的傳感器分布在該區域內，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信號的接收。這些傳感器可以是指專(zhuān)門(mén)設置的接收天線(xiàn)，也可以是認知無(wú)線(xiàn)電系統的各個(gè)無(wú)線(xiàn)用戶(hù)終端。通過(guò)這些傳感器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)環(huán)境的探測，可以區分無(wú)線(xiàn)信號在空間上的不同和差異。針對來(lái)自多個(gè)傳感器測量得到的多組接收信號，經(jīng)過(guò)恰當的頻譜分析算法，即可得到對應于特定空間、時(shí)間和頻段的干擾溫度估計值。將該干擾溫度估計量和設定的干擾溫度門(mén)限比較，若在連續的幾個(gè)時(shí)段內均小于門(mén)限要求，即可認為出現了“頻譜空洞”。

　　在認知無(wú)線(xiàn)電中，頻譜檢測技術(shù)不僅僅在“頻譜空洞”的搜尋和判定中起關(guān)鍵作用，在系統的通信過(guò)程中，它還需要負責頻譜狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測。對頻譜的監測一方面可以搜集無(wú)線(xiàn)環(huán)境的統計資料，為高層的頻譜管理提供輔助；另一方面進(jìn)行的實(shí)時(shí)干擾溫度估計為系統的發(fā)射端進(jìn)行功率控制提供必要的參數支持。在某些情況下，監測頻譜也能夠比較準確地判定射頻信號碰撞事件，使認知無(wú)線(xiàn)電系統能夠盡快進(jìn)行主動(dòng)退避，避免過(guò)多地影響原有授權用戶(hù)的通信。

　　4.2 自適應頻譜資源分配技術(shù)

　　為了解決頻譜資源的日益緊張和目前固定分配頻譜利用率較低的矛盾，就要求找到更有效的方法來(lái)充分感知和利用無(wú)線(xiàn)頻譜資源?；就緩接袃蓷l：其一，提高頻譜利用率，將已授權用戶(hù)的頻譜資源充分利用，減少浪費；其二，提高系統通信效率，將已獲得的頻率資源和其他資源綜合優(yōu)化分配，進(jìn)而提高利用率。

　　由于正交頻分復用(OFDM)系統是目前公認的比較容易實(shí)現頻譜資源控制的傳輸方式，該調制方式可以通過(guò)頻率的組合或裁剪實(shí)現頻譜資源的充分利用，可以靈活控制和分配頻譜、時(shí)間、功率、空間等資源，自適應頻譜資源分配的關(guān)鍵技術(shù)主要有：載波分配技術(shù)、子載波功率控制技術(shù)、復合自適應傳輸技術(shù)。

　　(1) 載波分配技術(shù)

　　認知無(wú)線(xiàn)電具有感知無(wú)線(xiàn)環(huán)境的能力。通過(guò)對干擾溫度的測量，可以確定“頻譜空洞”。子載波分配就是根據用戶(hù)的業(yè)務(wù)和服務(wù)質(zhì)量要求，分配一定數量的頻率資源。檢測到的“空洞”資源是不確定的，帶有一定的隨機性。OFDM系統具有裁剪功能，通過(guò)子載波(子帶)的分配，將一些不規律和不連續的頻譜資源進(jìn)行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶(hù)，實(shí)現資源的合理分配和利用。

　　(2) 子載波功率控制技術(shù)

　　認知無(wú)線(xiàn)電中利用已授權頻譜資源的前提是不影響授權用戶(hù)的正常通信。為此，非授權用戶(hù)必須控制其發(fā)射功率，避免給其他授權用戶(hù)造成干擾。功率控制算法在經(jīng)典的“注水”算法的基礎上，有一系列的派生算法。這些算法追求的是功率控制的完備性和收斂性，既要不造成干擾又要使認知無(wú)線(xiàn)電有較好的通過(guò)率，且達到實(shí)時(shí)性的要求。事實(shí)上功率控制算法和子載波分配算法是密不可分的。這是因為在判斷某子載波是否可以使用時(shí)，就要對其歷史(授權狀況)和現狀(空間距離、衰落)做出判斷，同時(shí)還需要計算出可分配的功率大小。

　　(3) 復合自適應傳輸技術(shù)

　　該技術(shù)將OFDM和認知無(wú)線(xiàn)電思想以及一系列自適應傳輸技術(shù)結合，從而達到無(wú)線(xiàn)電資源的合理分配和充分利用。為了尋求保證服務(wù)質(zhì)量和最大通過(guò)率下的最佳工作狀態(tài)，需綜合應用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)、自適應子載波的功率分配技術(shù)、自適應調制解調技術(shù)以及自適應編碼技術(shù)等一系列自適應技術(shù)，形成優(yōu)化的自適應算法。根據子載波的干擾溫度，通過(guò)自適應地調整通信終端的工作參數，從而達到最佳工作狀態(tài)。設計合理的自適應傳輸技術(shù)可以大幅提高頻譜資源利用率和通信性能。

　　4.3 認知無(wú)線(xiàn)電下的頻譜管理

　　具有認知無(wú)線(xiàn)電功能的無(wú)線(xiàn)用戶(hù)在非授權狀況下使用頻率，必將引起無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)的注意，并且必定會(huì )力求將這種對頻率的使用納入其管理之下。從提高頻譜利用效率的角度出發(fā)，不應該壓制基于認知功能的非授權頻譜使用。好的解決方法是改變頻譜管理思想和頻譜管理規則，使其適應用戶(hù)的需求和技術(shù)的發(fā)展。
有研究者提出對頻譜劃分的新設想：依照頻譜應用狀況以及干擾的影響，對頻譜劃分3個(gè)等級：嚴格分配管理(不可干擾)、在一定程度上可供非授權使用(可有一定干擾)、無(wú)限制的非授權使用。在現階段，絕大多數頻譜為第一等級，即按照嚴格分配來(lái)進(jìn)行管理，因而頻譜利用率較低。新的頻譜管理思想和規則應該使第一等級頻譜所占的范圍縮小，第二和第三等級頻譜所占的范圍擴大，以此來(lái)提高頻譜利用率。這樣將頻譜分為3部分，第一部分非授權用戶(hù)不可占用，第二部分可適當占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是認知無(wú)線(xiàn)電可利用的頻譜。目前各種基于認知無(wú)線(xiàn)電的頻譜管理思想和管理規則仍在研究之中。

5 結束語(yǔ)

　　認知無(wú)線(xiàn)電的核心思想就是使無(wú)線(xiàn)通信設備具有發(fā)現“頻譜空洞”并合理利用所發(fā)現的“空洞”的能力。值得指出的是認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不但引起了學(xué)術(shù)界的相當關(guān)注，工業(yè)界對如何將其應用于實(shí)際通信系統也產(chǎn)生了濃厚的興趣。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)現認知無(wú)線(xiàn)電技術(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 參考文獻

　　[1] Haykin S. Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005,23(2):201-220.

　　[2] Mitola J, Maquire G Q Jr. Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal[J]. IEEE Personal Communications, 1999,6(4):13-18.

　　[3] Mitola J. Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[R]. Stockholm, Sweden: Royal Institute of Technology (KTH), 2000.