認知無(wú)線(xiàn)電：原理、技術(shù)與發(fā)展趨勢

　　這一思想在2003年美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)的《關(guān)于修改頻譜分配規則的征求意見(jiàn)通知》中得到了充分體現，該通知明確提出 采用CR技術(shù)作為提高頻譜利用率的技術(shù)手段。此后，CR技術(shù)受到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，成為了無(wú)線(xiàn)通信研究和市場(chǎng)發(fā)展的新熱點(diǎn)。然而，CR技術(shù)從理論到大規模實(shí)際應用，還面臨很多挑戰。這些挑戰包括了技術(shù)、政策和市場(chǎng)等諸多方面。本文從技術(shù)的角度，總結分析CR的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)，并對將來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行預測。

　　1 認知無(wú)線(xiàn)電基本原理

　　1.1 認知無(wú)線(xiàn)電的概念與特征

　　自1999年“軟件無(wú)線(xiàn)電之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系統地闡述了CR的基本原理以來(lái)，不同的機構和學(xué)者從不同的角度給出了CR的定義[1-3]，其中比較有代表性的包括FCC 和著(zhù)名學(xué)者Simon Haykin教授的定義。FCC認為：“CR是能夠基于對其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機參數的無(wú)線(xiàn)電”[4]。Simon Haykin則從信號處理的角度出發(fā)，認為：“CR是一個(gè)智能無(wú)線(xiàn)通信系統。它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習，通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調制技術(shù)等)，使其內部狀態(tài)適應接收到的無(wú)線(xiàn)信號的統計性變化，以達到以下目的：任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信；對頻譜資源的有效利用?！?/P>

　　總結上述定義，CR應該具備以下2個(gè)主要特征：

　　(1) 認知能力

　　認知能力使CR能夠從其工作的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中捕獲或者感知信息，從而可以標識特定時(shí)間和空間的未使用頻譜資源(也稱(chēng)為頻譜空洞)，并選擇最適當的頻譜和工作參數。這一任務(wù)通常采用圖1所示的認知環(huán)進(jìn)行表示，包括3個(gè)主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監測可用頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析估計頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性；頻譜判決根據頻譜空洞的特性和用戶(hù)需求選擇合適的頻段傳輸數據。

　　(2) 重構能力

　　重構能力使得CR設備可以根據無(wú)線(xiàn)環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，從而允許CR設備采用不同的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)收發(fā)數據?？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。

　　重構的核心思想是在不對頻譜授權用戶(hù)(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用授權系統的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。一旦該頻段被LU使用，CR有2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，但改變發(fā)射統率或者調制方案避免對LU的有害干擾。

　　1.2 認知無(wú)線(xiàn)電與軟件無(wú)線(xiàn)電之間的關(guān)系

　　為了便于理解CR的基本原理，有必要將CR與軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)進(jìn)行區分。根據電子與電氣工程師協(xié)會(huì )(IEEE)的定義，一個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備可以稱(chēng)為SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號處理通過(guò)使用數字信號處理軟件完成；這些軟件可以在出廠(chǎng)后修改[5-11]。

　　因此，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。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。

　　2 認知無(wú)線(xiàn)電物理層關(guān)鍵技術(shù)

　　通用的CR收發(fā)機結構如圖2所示，結合前文關(guān)于CR基本原理的討論，可以發(fā)現，CR物理層的關(guān)鍵技術(shù)包括：寬帶射頻前端技術(shù)、頻譜感知技術(shù)和數據傳輸技術(shù)。

    2.1 寬帶射頻前端技術(shù)

　　為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調諧到大頻譜范圍內的任意頻帶。通用的寬帶射頻前端結構如圖3所示，接收的信號通過(guò)放大、混頻和A/D轉換等步驟后送入基帶處理，進(jìn)行頻譜感知或數據檢測。其中，射頻濾波器通過(guò)通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號；低噪放大器(LNA)在放大所需信號的同時(shí)最小化噪聲；鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和混頻器聯(lián)合控制，將所需要的接收信號轉換到基帶或者中頻處理；信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾；自動(dòng)增益控制(AGC)維持很寬的動(dòng)態(tài)范圍內的輸入信號經(jīng)放大器的輸出功率恒定。

　　針對CR應用，寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動(dòng)態(tài)范圍內檢測弱信號。為此，需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A/D轉換器，并且要求超過(guò)12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過(guò)陷波濾波器濾出強信號，降低信號的動(dòng)態(tài)范圍；或采用智能天線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)空域濾波來(lái)實(shí)現強信號濾出。

　　2.2 頻譜感知技術(shù)

　　頻譜感知技術(shù)是CR應用的基礎和前提?，F有的頻譜感知技術(shù)可以按照圖4進(jìn)行分類(lèi)。單節點(diǎn)感知是指單個(gè)CR節點(diǎn)根據本地的無(wú)線(xiàn)射頻環(huán)境進(jìn)行頻譜特性標識；而協(xié)同感知則是通過(guò)數據融合，基于多個(gè)節點(diǎn)的感知結果將進(jìn)行綜合判決。

　　單節點(diǎn)感知技術(shù)包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種，其比較如表1所示。由于這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應用時(shí)通常結合使用。

　　檢測算法適用范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)匹配濾波CR節點(diǎn)知道授權用戶(hù)信號的信息檢測時(shí)間短需要先

　　為此，人們提出協(xié)同頻譜感知，通過(guò)檢測節點(diǎn)間的協(xié)作達到系統要求的檢測門(mén)限，從而降低對單個(gè)檢測節點(diǎn)的要求，降低單個(gè)節點(diǎn)的負擔。協(xié)同頻譜感知的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以有效的消除陰影效應的影響。協(xié)同感知可以采用集中或者分布式的方式進(jìn)行。集中式協(xié)同感知是指各個(gè)感知節點(diǎn)將本地感知結果送到基站（BS）或接入點(diǎn)（AP）統一進(jìn)行數據融合，做出決策；分布式協(xié)同感知則是指個(gè)節點(diǎn)間相互交換感知信息，各個(gè)節點(diǎn)獨自決策。影響協(xié)同頻譜感知的關(guān)鍵因素除了參與協(xié)同的單節點(diǎn)的感知性能外，還包括網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和數據融合方法；另外，在協(xié)同頻譜感知中，不同感知節點(diǎn)的相關(guān)性和單個(gè)節點(diǎn)的不可靠性也會(huì )對頻譜感知的性能產(chǎn)生重要影響。

　　隨著(zhù)FCC引入干擾溫度模型來(lái)測量干擾，也有人提出通過(guò)測量干擾溫度進(jìn)行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節點(diǎn)知道授權用戶(hù)的位置，目前尚面臨很多問(wèn)題。

　　2.3 數據傳輸技術(shù)

　　數據傳輸技術(shù)對于CR實(shí)現利用空閑頻譜進(jìn)行通信，從而整體上提高頻譜利用率的主要目標非常關(guān)鍵。由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍，并且不連續，因此CR數據傳輸技術(shù)必需能夠適應可用頻譜的這一特性。

　　目前，實(shí)現頻譜自適應CR數據傳輸有2個(gè)基本途徑：采用多載波技術(shù)或采用基帶信號發(fā)射波形設計。

　　在多載波傳輸技術(shù)中，正交頻分復用(OFDM)是最佳候選技術(shù)。如圖5所示，其基本思想是將可用整個(gè)頻帶劃分成OFDM子載波，只利用沒(méi)有被授權用戶(hù)占用的子載波傳輸數據，構成所謂的非連續OFDM(NC-OFDM)。子載波的分配則通過(guò)頻譜感知和判決的結果，以分配矢量的方式實(shí)現。例如，在進(jìn)行OFDM調制時(shí)，可以將已被授權用戶(hù)占用的子載波置零，從而避免對授權用戶(hù)產(chǎn)生干擾。同時(shí)，考慮到頻譜滲漏的問(wèn)題，還有必要留出足夠的保護子載波。同時(shí)，由于很多子載波并沒(méi)有使用，可以通過(guò)一些快速傅立葉變換(FFT)修剪算法降低系統實(shí)現的復雜度。

　　OFDM技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現靈活，但也面臨同步、信道估計以及高峰平比的問(wèn)題。為此，也可以通過(guò)在時(shí)、頻或者碼域設計特殊的發(fā)射波形，生成滿(mǎn)足特定頻譜形狀的發(fā)射信號。例如，在頻域合成波形的變換域通信系統(TDCS)、設計特殊擴頻碼片的擾測量法/碼分多址(CI/CDMA)技術(shù)、以及跳碼 /碼分多址(CH/CDMA)技術(shù)等。雖然這些技術(shù)不如OFDM實(shí)現靈活，但在初始接入、收發(fā)雙方不知道對方可用頻譜特性時(shí)仍然有用。

    　3 認知無(wú)線(xiàn)電發(fā)展現狀與趨勢

　　當前，認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。很多著(zhù)名學(xué)者和研究機構都投入到認知無(wú)線(xiàn)電相關(guān)技術(shù)的研究中，啟動(dòng)了很多針對認知無(wú)線(xiàn)電的重要研究項目。例如：德國Karlsruhe大學(xué)的F. K. Jondral教授等提出的頻譜池系統、美國加州大學(xué)Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究組開(kāi)發(fā)的COVUS系統、美國Georgia理工學(xué)院寬帶和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項目、美國軍方DARPA的XG項目、歐盟的E2R項目等。在這些項目的推動(dòng)下，在基本理論、頻譜感知、數據傳輸、網(wǎng)絡(luò )架構和協(xié)議、與現有無(wú)線(xiàn)通信系統的融合以及原型開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域取得了一些成果。IEEE為此專(zhuān)門(mén)組織了兩個(gè)重要的國際年會(huì )IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流這方面的成果，許多重要的國際學(xué)術(shù)期刊也通過(guò)將刊發(fā)關(guān)于認知無(wú)線(xiàn)電的專(zhuān)輯。目前，最引人關(guān)注的是IEEE 802.22工作組的工作，該工作組正在制定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)。

　　結合上述認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的現狀，預計認知無(wú)線(xiàn)電未來(lái)會(huì )沿著(zhù)以下幾個(gè)方面發(fā)展：

　　基本理論和相關(guān)應用的研究，為大規模應用奠定堅實(shí)的基礎。比較重要的包括：認知無(wú)線(xiàn)電的信息論基礎和認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )相關(guān)技術(shù)，例如：頻譜資源的管理、跨層聯(lián)合優(yōu)化等等。

　　試驗驗證系統開(kāi)發(fā)。目前，已經(jīng)有多個(gè)試驗驗證系統正在開(kāi)發(fā)中，這些系統的開(kāi)發(fā)成功，將為驗證認知無(wú)線(xiàn)電的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)提供測試床，推動(dòng)其大規模應用。

　　與現有系統的融合。雖然目前認為認知無(wú)線(xiàn)電的應用應該不要求授權用戶(hù)作任何改變，但如果授權用戶(hù)和認知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)協(xié)同工作，將會(huì )便于實(shí)現并提高效率。目前，已經(jīng)有一些研究工作在考慮將認知無(wú)線(xiàn)電集成到現有無(wú)線(xiàn)通信系統的方法，并取得了一些初步成果。預計未

　　4 結束語(yǔ)

　　認知無(wú)線(xiàn)電的提出，為從根本上解決日益增長(cháng)的無(wú)線(xiàn)通信需求與有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源之間的矛盾開(kāi)辟了一條行之有效的解決途徑，是未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，正逐漸通過(guò)標準化進(jìn)入產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。然而，認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)從概念到應用尚面臨很多挑戰，尤其是許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，這也使其成為了近年來(lái)無(wú)線(xiàn)通信研究的熱點(diǎn)。