認(rèn)知無線電

認(rèn)知無線電研究背景意義與現(xiàn)狀

1認(rèn)知無線電的產(chǎn)生背景

2認(rèn)知無線電的產(chǎn)生

3認(rèn)知無線電技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

4認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的研究意義

5認(rèn)知無線電技術(shù)研究的主要任務(wù)

1認(rèn)知無線電的產(chǎn)生背景

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線用戶的數(shù)量急劇增加，可用頻譜資源變得

越來越稀缺。當(dāng)今絕大多數(shù)頻譜資源都是采用固定的分配模式，由專門的頻率管

理部門分配給特定的授權(quán)用戶使用。而對(duì)于另外一些非授權(quán)用戶的通信需求，如無

線局域網(wǎng)(WirelessLocalAreaNetwork，WLAN)、無線個(gè)域網(wǎng)(Wireless

PersonalAreaNetwork，WPAN)等，由于其近幾年發(fā)展迅速，導(dǎo)致這些網(wǎng)絡(luò)所工作

的非授權(quán)頻段逐漸趨向飽和。據(jù)美國(guó)研究結(jié)果指出，現(xiàn)有的頻譜管理與分配策略是

造成頻譜資源緊缺的重要原因之一，導(dǎo)致某些網(wǎng)絡(luò)頻譜資源相對(duì)較少但其承載的業(yè)

務(wù)量很大，而相當(dāng)多的已授權(quán)的頻譜并沒得到充分的使用。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)

(FederalCommunicationsCommission,FCC)在2002年出版的報(bào)告中指出，已分

配的頻譜利用率為15,,85,，已經(jīng)分配的3GHz以下的頻譜資源中多達(dá)70,未被充分

利用。一項(xiàng)中國(guó)移動(dòng)的研究表明，大多數(shù)頻段利用率不到5%，密集城區(qū)一周頻段

占用度的測(cè)試結(jié)果顯示，占用度較高的頻率主要集中410-954MHz頻段，GSM下行

頻段占用度最高，廣播頻段、集群系統(tǒng)下行和ISM頻段次之，其他頻段的占用度則

極低。其中GSM頻段資源塊的占用度明顯高于廣播頻段。GSM頻段占用度大于0.1

的資源塊約占總數(shù)的62%，廣播頻段占用度大于0.1的約8%。

[15]圖1頻譜利用情況調(diào)查分析

由此可以看出:頻譜資源實(shí)際上是很充裕的，頻譜的缺乏主要是由于靜態(tài)(固定)

的頻譜分配體制而不是頻譜資源本身的缺乏。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的可

以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空穴(SpectrumHoles)”。對(duì)此開發(fā)一種新的更

優(yōu)化的頻譜資源利用方法變得十分重要。

2認(rèn)知無線電的產(chǎn)生

基于以上的現(xiàn)狀，為了解決頻譜資源運(yùn)用匱乏的問題，基本思路就是盡量提高

現(xiàn)有頻譜的利用率。

通過對(duì)靜態(tài)頻譜資源分配體制問題研究，人們開始考慮是否可以允許沒有頻譜

使用許可權(quán)的用戶在對(duì)法定用戶不產(chǎn)生任何干擾的情況下按照“伺機(jī)”的方式工作

在已授權(quán)的頻段內(nèi)。這種創(chuàng)新大膽的思路對(duì)解決現(xiàn)有頻譜資源缺乏的問題很有意

義，后來這個(gè)概念就被稱作認(rèn)知無線電。

認(rèn)知無線電(CognitiveRadio)的概念是由MITRE公司顧問、瑞典皇家技術(shù)學(xué)

院博士生和E,JR教授于1999年8月在IEEE

PersonalCommunications雜志上首次提出的。

隨著概念的提出，F(xiàn)CC于2004年5月頒布了TV頻帶的NPRM(Noticeof

Propod

RuleMaking)，同年9月批準(zhǔn)了IEEE(SA標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)IEEE802(22的項(xiàng)目授權(quán)

請(qǐng)

[1]求(PAR)。這作為認(rèn)知無限電由概念到實(shí)現(xiàn)的首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，主要任務(wù)是為沒

有

VHF/UHF(VeryHighFrequency/UltraHighFrequency)頻譜使用許可的設(shè)備

制定基于認(rèn)知無線電的物理(PHY)層和媒體訪問控制(MAC)層空間接口標(biāo)準(zhǔn)，以使這

些設(shè)備能夠工作于VHF/UHF頻段而不對(duì)電視廣播業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾，其在認(rèn)知無限電技

術(shù)的演變過程中有著非常重要的意思。

認(rèn)知無線電(CR)也被稱為智能無線電，從廣義上來說是指無線終端具備足夠的

智能或者認(rèn)知能力，通過對(duì)周圍無線環(huán)境的歷史和當(dāng)前狀況進(jìn)行檢測(cè)、分析、學(xué)

習(xí)、推理和規(guī)劃，利用相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸參數(shù)，使用最適合的無線資源(包

括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等)完成無線傳輸。認(rèn)知無線電應(yīng)該具備以

[2]下兩個(gè)主要特征:(1)認(rèn)知能力，認(rèn)知能力使CR能夠從其工作的無線環(huán)境中

捕獲或者感知信息，從而可以標(biāo)識(shí)特定時(shí)間和空間的未使用頻譜資源(也稱為頻譜

空洞)，并選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。(2)重構(gòu)能力，重構(gòu)能力使得CR設(shè)備可

以根據(jù)無線環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，從而允許CR設(shè)備采用不同的無線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。

可以重構(gòu)的參數(shù)包括:工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。

總之，認(rèn)知無線電的核心思想是認(rèn)知無線電具有學(xué)習(xí)能力，能與周圍環(huán)境交互

信息，以感知和利用在該空間的頻譜空穴，并限制和降低沖突的發(fā)生。但由于認(rèn)知

無線電的相關(guān)研究才剛剛起步，相關(guān)的研究還沒有成熟，導(dǎo)致了有各種不同的解決

觀點(diǎn)。主要的觀點(diǎn)有:

(1)Mitola的觀點(diǎn)

瑞典皇家理工學(xué)院的JophMitola博士認(rèn)為，軟件是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的理想

平臺(tái)。認(rèn)知無線電的認(rèn)識(shí)強(qiáng)調(diào)其學(xué)習(xí)和推理能力，認(rèn)為認(rèn)知無線電系統(tǒng)能夠通過學(xué)

習(xí)不斷感知無線環(huán)境的變化，并通過自適應(yīng)地調(diào)整自身內(nèi)部的通信機(jī)理來適應(yīng)無線

環(huán)境的變化。圖2為Maryland大學(xué)的Thomas博士提供的認(rèn)知無線電網(wǎng)

[14]絡(luò)模型。

射頻政策

事實(shí)知識(shí)庫(kù)推理引擎

觀察感知配置

CR應(yīng)用編程接口

學(xué)習(xí)引擎哦軟件定義無線電

[14]圖2Thomas對(duì)認(rèn)知無線電模型的認(rèn)識(shí)

(2)FCC的觀點(diǎn)

FCC認(rèn)為，認(rèn)知無線電是通過無線電設(shè)備根據(jù)與它的操作環(huán)境進(jìn)行交互而改變

其傳輸參數(shù)而實(shí)現(xiàn)的過程。軟件只可能是作為定義無線電，沒有要求實(shí)時(shí)可編程的

要求。

(3)SimonHaykin的觀點(diǎn)

SimonHaykin博士結(jié)合Mitola博士與FCC的觀點(diǎn)，重新解釋了認(rèn)知無線電，

他認(rèn)為:“認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境，并使用

比如傳輸功率、載波頻率人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時(shí)改變某些參數(shù)

(

和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化，以達(dá)到

任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信和對(duì)頻譜資源有效利用的目的。”如圖3所示。

SimonHaykin的定義較好的兼顧了數(shù)字信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)、人工智能和計(jì)算機(jī)軟

硬件的實(shí)現(xiàn)，在該定義的基礎(chǔ)上提出的認(rèn)知環(huán)模型也能較好地反映認(rèn)知無線電的概

念和內(nèi)涵。

無線環(huán)境

射頻信號(hào)

發(fā)射信號(hào)

無線頻譜

探測(cè)

干擾發(fā)射功率控制及信道狀態(tài)估計(jì)

頻譜管理與預(yù)測(cè)量化的信道容量

[3]圖3SimonHaykin提出的認(rèn)知環(huán)

3認(rèn)知無線電技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀?國(guó)外研究現(xiàn)狀

1)頻譜池(SpectrumPooling)系統(tǒng)

由德國(guó)Karlsruhe大學(xué)的F(K(Jondral教授等人提出的頻譜池(Spectrum

Pooling)系統(tǒng)是一個(gè)基于OFDM的中心控制的動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)。頻譜池

(SpectrumPooling)系統(tǒng)通過特殊設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)可用頻譜資源的感知。2)

DRIVE,OverDRIVE項(xiàng)目

該項(xiàng)目是歐洲環(huán)境下提供移動(dòng)IP服務(wù)的項(xiàng)目，其主要目標(biāo)是:通過公共協(xié)調(diào)信

道在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享。項(xiàng)目主要研究了兩個(gè)動(dòng)態(tài)頻譜分配方法，即時(shí)

間動(dòng)態(tài)頻譜分配和空間動(dòng)態(tài)頻譜分配。

3)E2R項(xiàng)目

作為DRIVE/OverDRIVE項(xiàng)目的延伸項(xiàng)目，研究通過端到端重配置網(wǎng)絡(luò)和軟件

無線電技術(shù)將未來不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)融合起來，為用戶、服務(wù)提供商、管理者提

供更多可選服務(wù)的系統(tǒng)。

4)DARPAXG項(xiàng)目

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署DARPA(DefenAdvancedRearchProjects

Agency)資助的下一代(XG)項(xiàng)目的目標(biāo)是使得美國(guó)軍用通信設(shè)備可以檢測(cè)環(huán)境

變化，根據(jù)所處環(huán)境的頻譜管理政策選擇頻譜。

項(xiàng)目包括兩個(gè)方面:一是開發(fā)提供擇機(jī)頻譜接入的技術(shù);二是開發(fā)通過靈活的政

策應(yīng)用管理無線行為關(guān)鍵方面的長(zhǎng)期管理框架。XG針對(duì)對(duì)等結(jié)構(gòu)adhoc(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))網(wǎng)

絡(luò)的通信采用的是完全自由的擇機(jī)頻譜接入。

[3]?國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

華為公司從2005年起就關(guān)注認(rèn)知無線電的研究進(jìn)展:資助相關(guān)學(xué)術(shù)研究，如在

北京郵電大學(xué)設(shè)立一些基金項(xiàng)目，并成為IEEE802(22和802(16h工作組的成員，

并贊助CrownCom2008等與CR有關(guān)的會(huì)議。

中國(guó)移動(dòng)目前對(duì)認(rèn)知無線電的研究主要包括兩個(gè)方面:一個(gè)方面是對(duì)中國(guó)的頻

譜使用情況的測(cè)量，并為理論研究提供數(shù)據(jù)支持。另一個(gè)方面是理論方面的研究，

包括四個(gè)方面:頻譜管理策略、系統(tǒng)和協(xié)議框架、動(dòng)態(tài)頻譜分配機(jī)制和頻譜感知機(jī)

制。

國(guó)家863計(jì)劃在2005年就支持了無線電相關(guān)研究項(xiàng)目，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究;

并在2008年將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)列為重點(diǎn)支持項(xiàng)目。

2008年國(guó)家自然科學(xué)基金在認(rèn)知無線電領(lǐng)域設(shè)立重點(diǎn)項(xiàng)目群，支持3個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)

目，重點(diǎn)解決頻譜認(rèn)知、動(dòng)態(tài)頻譜管理和抗干擾等問題。

4認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的研究意義

UWB(UltraWideband)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒間級(jí)的非

正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。有人稱它為無線電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)展，認(rèn)為它將

成為未來短距離無線通信的主流技術(shù)。其具有抗干擾性強(qiáng)，帶寬極寬，保密性強(qiáng)，

發(fā)射功率非常小的特點(diǎn)。UWB技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受

控的高斯單周期超短時(shí)脈沖，超短時(shí)單周期脈沖決定了信號(hào)的帶寬很寬，接收機(jī)直

接用一級(jí)前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的

中頻級(jí)，極大地降低了設(shè)備復(fù)雜性。

但是，眾多研究表明，UWB系統(tǒng)的頻譜共享缺乏靈活性，系統(tǒng)間共享缺少針對(duì)

性，限制了UWB系統(tǒng)性能和頻譜利用率的進(jìn)一步提高。當(dāng)把認(rèn)知無線電技術(shù)引入到

UWB系統(tǒng)后，使得其頻譜操作環(huán)境得到了很大的改進(jìn)。使得UWB系統(tǒng)和認(rèn)知無線電

的結(jié)合，是未來移動(dòng)通信發(fā)展的方向之一。

當(dāng)前，認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)的研究主要集中在頻譜感知和動(dòng)態(tài)頻譜管理兩方

面。根據(jù)FCC的定義，認(rèn)知無線電的最大特征是能夠?qū)o線電環(huán)境進(jìn)行感知。與無

線電環(huán)境的直接接觸只能由系統(tǒng)物理層來完成，因此頻譜感知技術(shù)主要是一種物理

層的信號(hào)處理技術(shù)。可以說，頻譜感知是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中物理層要實(shí)現(xiàn)的核心功

能。

對(duì)此，頻譜感知不僅是認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是認(rèn)知無線電的一大技

術(shù)挑戰(zhàn)，頻譜感知的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于:待檢測(cè)信號(hào)的信噪比很低，即使噪聲的概

率分布已知，但是噪聲能量是未知的，而且噪聲能量常常是時(shí)變的。如何在一定運(yùn)

算復(fù)雜度的前提下提高檢測(cè)的可靠性就成了頻譜感知算法研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)此

頻譜感知技術(shù)的研究對(duì)于認(rèn)知無線電的發(fā)展具有重要的意義。

5認(rèn)知無線電技術(shù)研究的主要任務(wù)

一是無線電外部傳輸場(chǎng)景分析，主要包括干擾溫度的估計(jì)和頻譜空洞的監(jiān)測(cè)。

認(rèn)知無線電技術(shù)能夠感知并分析特定區(qū)域的頻段，找出頻譜空洞，而且不能對(duì)授權(quán)

用戶造成干擾。在不影響現(xiàn)有通信系統(tǒng)的前提下工作，為了在某個(gè)地域應(yīng)用認(rèn)知無

線電技術(shù)，最先進(jìn)行的工作就是對(duì)該地?zé)o線信道環(huán)境的感知，即頻譜檢測(cè)和“空

洞”搜尋與判定。

任務(wù)之二是信道估計(jì)與預(yù)測(cè)模型，其中包括估計(jì)信道信息，預(yù)測(cè)信道容量。信

道估計(jì)的結(jié)果可用來計(jì)算信道容量，用于控制發(fā)送端的信號(hào)能量，可使用香農(nóng)法則

計(jì)算信道容量，但在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中并不直接在發(fā)送端傳輸?shù)男畔ⅲ珻C而是量

化，一定的量化率用于反饋發(fā)送端，量化比率是預(yù)先確定的，所以接收C

機(jī)接收的信息量要小于信道容量。在信道容量分析過程中，系統(tǒng)反饋時(shí)延的影

C

響和高階馬爾可夫模型的使用也是兩個(gè)值得考慮的問題，一定條件下會(huì)影響到

通信系統(tǒng)的性能。一般來說，無線系統(tǒng)的傳輸率是波動(dòng)的，當(dāng)其超出一定界限時(shí)，

就會(huì)引起系統(tǒng)的不正常工作，這個(gè)界限決定了最大的傳輸比特率。

具體來講，認(rèn)知無線電頻譜感知主要實(shí)現(xiàn)兩大功能:

(1)檢測(cè)頻譜空洞是否存在。尋找在特定的時(shí)間和地理位置沒有被授權(quán)用戶

(主用戶)信號(hào)占用的頻譜。如果檢測(cè)到有這樣的空閑頻譜，則該頻譜就可以作為認(rèn)

知無線電系統(tǒng)傳輸信號(hào)的頻譜。

(2)對(duì)于某個(gè)認(rèn)知無線電接收機(jī)來講，即使已經(jīng)確認(rèn)了某頻段形成頻譜空洞，

該接收機(jī)還需要檢測(cè)該頻譜空洞是否已經(jīng)被其它認(rèn)知無線電用戶(次用戶)信號(hào)占

用。如果有，則本地認(rèn)知無線電接收機(jī)還需尋找其它的頻譜空洞傳輸信號(hào)，以避免

和其它次用戶同時(shí)使用該頻譜空洞而產(chǎn)生沖突。