武秀廣，宋 旭，任培明

（國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各種移動(dòng)終端不斷涌現(xiàn)，無線通信業(yè)務(wù)需求快速增長(zhǎng)，各種新的通信手段、通信體制的出現(xiàn)為人們的生活、工作帶來了極大的便利。

所有的無線電業(yè)務(wù)都離不開無線電頻率，但這種資源是有限的。目前人類對(duì)于3 000GHz以上的頻率還無法開發(fā)和利用，盡管使用無線電頻譜可以根據(jù)時(shí)間、空間、頻率和編碼四種方式進(jìn)行頻率的復(fù)用，但就某一頻段和頻率來講，在一定的區(qū)域、一定的時(shí)間和一定的條件下使用頻率是有限的。

隨著無線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng)，頻譜資源變得越來越緊張，頻譜資源的有效利用成為無線通信的一個(gè)重要問題和制約無線通信發(fā)展的新瓶頸。尤其是隨著無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)、無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人通過這些技術(shù)以無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大多使用非授權(quán)的頻段（UFB）工作，但其頻段已經(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(hù)，使他們免受其他通信業(yè)務(wù)的干擾。為此，頻率管理部門專門分配了特定的授權(quán)頻段（LFB）以供特定通信業(yè)務(wù)使用。與授權(quán)頻段相比，非授權(quán)頻段的頻譜資源要少很多，授權(quán)頻譜資源的利用率卻非常低。于是就出現(xiàn)了這樣的事實(shí)：某些部分的頻譜資源相對(duì)較少但其上承載的業(yè)務(wù)量很大，而另外一些已授權(quán)的頻譜資源利用率卻很低。可以看出，基于目前的頻譜資源分配方法是對(duì)頻譜資源的浪費(fèi)。

為解決頻譜資源的有效利用問題，認(rèn)知無線電（CR）[1][2][3][4]技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。認(rèn)知無線電作為一種智能的頻譜共享技術(shù)，能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時(shí)間、頻率以及空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用，這將大大降低頻譜和帶寬限制對(duì)無線技術(shù)發(fā)展的束縛。因此，這一技術(shù)被預(yù)言為未來最熱門的無線技術(shù)。

2 認(rèn)知無線電

認(rèn)知無線電的主要工作包括無線頻譜分析、信道識(shí)別、發(fā)射功率控制和動(dòng)態(tài)頻譜資源管理。通常前兩項(xiàng)任務(wù)由接收機(jī)完成，最后的任務(wù)由發(fā)射機(jī)完成，這三個(gè)任務(wù)就形成了一個(gè)認(rèn)知過程。圖1是認(rèn)知無線電的基本構(gòu)成形式和組成部分。這幾個(gè)部分有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)完整的認(rèn)知周期，即根據(jù)RF探測(cè)、分析，快速信道估計(jì)，動(dòng)態(tài)分配空閑信道，以及信道狀態(tài)選擇合適的調(diào)制方式、傳輸速率、發(fā)射頻率等。

認(rèn)知無線電技術(shù)的概念最初由Joseph Mitola博士于1999年在軟件無線電技術(shù)基礎(chǔ)上提出，主要強(qiáng)調(diào)通信系統(tǒng)的認(rèn)知能力。2003年，F(xiàn)CC在此基礎(chǔ)上完善了認(rèn)知無線電技術(shù)的定義[5]，指出“認(rèn)知無線電設(shè)備是指能夠通過與工作環(huán)境交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無線電設(shè)備”，強(qiáng)調(diào)認(rèn)知無線電的認(rèn)知能力與重配置能力。其中，認(rèn)知能力是指認(rèn)知無線電設(shè)備具備從無線環(huán)境中捕捉和感知信息的能力，并選擇最好的頻譜資源及合適的操作參數(shù)。重新配置能力是指?jìng)鬏斶^程中在不改變硬件組件的情況下調(diào)整工作參數(shù)的能力。2005年，Simon Haykin指出“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，并利用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的通信及對(duì)頻譜資源的有效利用[6]?！?/p>

綜合以上關(guān)于認(rèn)知無線電技術(shù)的定義，圖1給出了認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功能框架圖。作為自適應(yīng)的系統(tǒng)，至少需要包含一個(gè)可重新配置的無線電部分，其可配置的參數(shù)可以是工作頻段或者帶寬等。這一模塊可以通過軟件無線電實(shí)現(xiàn)。感知模塊用于獲得多種外部激勵(lì)（無線頻譜，地理信息等），特別是針對(duì)無線頻譜環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)還包含一個(gè)策略數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，用來決定頻譜的基本利用策略，定義在某個(gè)環(huán)境下認(rèn)知無線電系統(tǒng)的何種行為是可以接受的。這一策略數(shù)據(jù)庫(kù)模塊可以被重新配置以適應(yīng)新的政策的變化。結(jié)合感知模塊和策略數(shù)據(jù)模塊的信息，系統(tǒng)對(duì)頻譜的可用性進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理，這種學(xué)習(xí)和推理的過程可以利用模糊邏輯或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法實(shí)現(xiàn)。最終的決策則依據(jù)上述三個(gè)模塊的輸出信息最終確定，并根據(jù)結(jié)果對(duì)無線電通信協(xié)議棧的不同層面進(jìn)行配置。

圖1 認(rèn)知無線電系統(tǒng)功能框架圖

3 認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頻譜偵聽

認(rèn)知無線電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)偵聽頻譜，以便發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”。同時(shí)為了不對(duì)主用戶造成干擾，需快速檢測(cè)到主用戶的再次出現(xiàn)，以便為主用戶騰出頻率帶寬。這就需要認(rèn)知無線電具有頻譜偵聽功能，一般頻譜檢測(cè)可靠率要達(dá)到99.9%[7]。

由于認(rèn)知無線電技術(shù)的檢測(cè)能力本身具有一定限制，加之多徑衰落和陰影衰落的影響，弱信號(hào)較難檢測(cè)。為了能夠檢測(cè)出不同類型的主用戶信號(hào)和不同等級(jí)的接收功率，相比傳統(tǒng)的無線電技術(shù)，認(rèn)知無線電射頻前端的靈敏度、帶寬頻率捷變性能要求較高。目前公認(rèn)的一種理想方案是同時(shí)考慮增強(qiáng)射頻前端靈敏度、利用數(shù)字信號(hào)處理增益和用戶間的合作來提高檢測(cè)能力。

3.2 動(dòng)態(tài)頻譜分配

截至目前，學(xué)術(shù)界已對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作，提出了多種動(dòng)態(tài)頻譜分配算法。由于認(rèn)知無線電系統(tǒng)中用戶對(duì)帶寬的需求、可用信道數(shù)量及用戶位置是時(shí)變的，已有的算法較難滿足要求?？紤]到完全動(dòng)態(tài)頻譜分配受到諸多政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的限制，目前采用認(rèn)知無線電的頻譜共享技術(shù)，主要是基于頻譜統(tǒng)籌策略。頻譜統(tǒng)籌的基本思想是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并為一個(gè)公共的頻譜池，將頻譜池劃分為若干子信道。未授權(quán)用戶可以臨時(shí)占用空閑信道。

動(dòng)態(tài)頻譜分配可以協(xié)調(diào)和管理主用戶與認(rèn)知用戶間的信道接入。文獻(xiàn)[8]提出了兩種接入方案：具有控制信道的分配和無控制信道的分配，前者是只要有空閑的子信道，主用戶就選擇空閑信道而不中斷認(rèn)證用戶的通信；后者是主用戶只要有需要就占用原信道，而不考慮認(rèn)知用戶是否占用信道。這兩種方案在帶寬利用率和阻塞率方面差別不大，但無控制信道的分配方案的強(qiáng)制中斷率較高，這一問題可通過采用智能調(diào)度算法得以解決。

動(dòng)態(tài)頻譜分配也可用于協(xié)調(diào)多個(gè)認(rèn)知用戶間的頻譜選擇，以最大化頻譜利用率。動(dòng)態(tài)頻譜分配可以有效地分析動(dòng)態(tài)分布式資源分配問題，通常將反映實(shí)時(shí)認(rèn)知用戶交互過程的認(rèn)知周期映射為一個(gè)對(duì)策模型，針對(duì)經(jīng)典對(duì)策模型不包含學(xué)習(xí)過程的缺點(diǎn)，采用一些嵌入學(xué)習(xí)功能的改進(jìn)模型對(duì)分布式動(dòng)態(tài)頻譜分配算法進(jìn)行分析[9]。

3.3 功率控制

在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中采用分布式功率控制以擴(kuò)大系統(tǒng)的工作范圍，每個(gè)用戶的發(fā)射功率是對(duì)其他用戶造成干擾的主要原因，因此功率控制是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。博弈論和信息論是解決這一難題的主要技術(shù)。

認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功率控制可以看成一個(gè)博弈論問題，在博弈論中，分為合作對(duì)策和非合作對(duì)策。如果不考慮非合作對(duì)策，功率控制問題可以簡(jiǎn)化為一個(gè)最優(yōu)控制問題[8]。但完全的合作在多用戶系統(tǒng)中是不可能出現(xiàn)的，因?yàn)槊總€(gè)用戶都試圖將自己的功率最大化，所以功率控制應(yīng)為一個(gè)非合作對(duì)策。目前主流技術(shù)是用Markov對(duì)策進(jìn)行分析，Markov對(duì)策是將多步對(duì)策看作一個(gè)隨機(jī)過程，而認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功率控制問題，則可以看作是用Markov對(duì)策進(jìn)行分析解決。

4 認(rèn)知無線電的應(yīng)用

4.1 在WRAN中的應(yīng)用

IEEE已于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作組，2007年下半年完成了標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEEE 802.22的核心技術(shù)就是CR技術(shù)。依據(jù)IEEE 802.22功能需求標(biāo)準(zhǔn)，WRAN空中接口面臨的主要挑戰(zhàn)是靈活性和自適應(yīng)性。此外，相比別的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.22空中接口的共存問題也很關(guān)鍵，如偵聽門限、響應(yīng)時(shí)間等多種機(jī)制，還需要進(jìn)行大量的研究[10]。

4.2 在UWB中的應(yīng)用

最初將CR技術(shù)應(yīng)用于超寬帶（UWB）系統(tǒng)中，即認(rèn)知UWB無線電技術(shù)的提出是為了實(shí)現(xiàn)直接序列超寬帶（Direct Sequence UWB，DS-UWB）和多頻帶正交頻分復(fù)用（Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MB-OFDM）兩種UWB標(biāo)準(zhǔn)的互通，以及解決IEEE 802.15.3a物理層DS-UWB和MB-OFDM兩種可選技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)陷入僵局的問題。

由于UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)之間存在著不可避免的干擾，將CR技術(shù)與UWB技術(shù)相結(jié)合以解決干擾問題，已成為近幾年研究的熱點(diǎn)，尤其是對(duì)UWB系統(tǒng)中基于CR的合作共存算法的研究較多。一個(gè)有效的方法是將CR機(jī)制嵌入到UWB系統(tǒng)中，如以跳時(shí)-脈沖位置調(diào)制為例，通過預(yù)先檢測(cè)到的干擾頻率，并相應(yīng)選擇合適的跳時(shí)序列，可將UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)間的干擾減至最小[10]。

4.3 在WLAN中的應(yīng)用

具有認(rèn)知功能的無線局域網(wǎng)（WLAN）可通過接入點(diǎn)對(duì)頻譜的不間斷掃描，從而識(shí)別出可能的干擾信號(hào)，并結(jié)合對(duì)其他信道通信環(huán)境和質(zhì)量的認(rèn)知，自適應(yīng)地選擇最佳的通信信道。另外，具有認(rèn)知功能的接入點(diǎn)在不間斷進(jìn)行正常通信業(yè)務(wù)的同時(shí)，通過認(rèn)知模塊對(duì)其工作的頻段以及更寬的頻段進(jìn)行掃描分析，從而可盡快地發(fā)現(xiàn)非法惡意攻擊終端。這種技術(shù)應(yīng)用在其他類型的寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)中，也會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和安全性[11]。

4.4 在網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)中的應(yīng)用

認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)是近幾年出現(xiàn)的全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它具有無線多跳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過中繼的方式有效地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。由于微波頻段受限于視距傳輸，基于認(rèn)知無線電技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)將有利于在微波頻段實(shí)現(xiàn)頻譜的開放接入[11]。

4.5 在多入多出（MIMO）系統(tǒng)中的應(yīng)用

在無線通信許多新的研究熱點(diǎn)中，都有可應(yīng)用認(rèn)知無線電的場(chǎng)合。認(rèn)知MIMO技術(shù)可顯著提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率，這是認(rèn)知無線電技術(shù)的主要目標(biāo)，故將認(rèn)知無線電系統(tǒng)與MIMO技術(shù)結(jié)合，將能提供載波頻率和復(fù)用增益的雙重靈活性[11]。

值得關(guān)注的是，認(rèn)知無線電技術(shù)不但引起了學(xué)術(shù)界的相當(dāng)關(guān)注，工業(yè)界對(duì)如何將其應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)也產(chǎn)生了濃厚的興趣。關(guān)于認(rèn)知無線電在未來多媒體移動(dòng)通信中的應(yīng)用，在此不再贅述。

5 認(rèn)知無線電下的頻譜管理

具有認(rèn)知無線電功能的無線用戶在非授權(quán)狀況下使用頻率，必將引起無線電管理部門的注意，并且必定會(huì)力求將這種對(duì)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(yīng)該壓制基于認(rèn)知功能的非授權(quán)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(guī)則，使其適應(yīng)用戶的需求和技術(shù)的發(fā)展。

有研究者提出對(duì)頻譜劃分的新設(shè)想：依照頻譜應(yīng)用狀況以及干擾的影響，對(duì)頻譜劃分三個(gè)等級(jí)：嚴(yán)格分配管理（不可干擾）、在一定程度上可供非授權(quán)使用（可有一定干擾）、無限制的非授權(quán)使用。在現(xiàn)階段，絕大多數(shù)頻譜為第一等級(jí)，即按照嚴(yán)格分配來進(jìn)行管理，因而頻譜利用率較低。新的頻譜管理思想和規(guī)則應(yīng)該使第一等級(jí)頻譜所占的范圍縮小，第二和第三等級(jí)頻譜所占的范圍擴(kuò)大，以此來提高頻譜利用率。這樣將頻譜分為三部分，第一部分非授權(quán)用戶不可占用，第二部分可適當(dāng)占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是認(rèn)知無線電可利用的頻譜。目前各種基于認(rèn)知無線電的頻譜管理思想和管理規(guī)則仍在研究之中。

6 結(jié)束語(yǔ)

認(rèn)知無線電技術(shù)是繼軟件無線電（SDR）之后無線通信技術(shù)的“下一件大事”，受到人們的極大關(guān)注。目前對(duì)于它的研究還處于初始階段，但在無線通信領(lǐng)域的發(fā)展前景十分誘人。雖然認(rèn)知無線電技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是其技術(shù)遠(yuǎn)不夠成熟，還有很多難題需要解決，作者認(rèn)為今后的研究工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面：

一是由于認(rèn)知無線電是動(dòng)態(tài)的利用頻譜，所以加強(qiáng)認(rèn)知無線電的靈活性十分必要，將多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)引入認(rèn)知無線電技術(shù)中，可以有效地提高認(rèn)知無線電頻譜利用的靈活性；二是認(rèn)知無線電技術(shù)的協(xié)議很不完善，需要設(shè)計(jì)專門的協(xié)議，比如說設(shè)計(jì)專門的路由協(xié)議用于流量控制和擁塞控制，特別是跨層協(xié)議的設(shè)計(jì)；三是認(rèn)知無線電技術(shù)需要強(qiáng)大的重配置能力，重配置能力是指在傳輸過程中無需修改硬件部分就能調(diào)節(jié)工作參數(shù)，這種能力使得認(rèn)知無線電可以很容易地適應(yīng)動(dòng)態(tài)的無線環(huán)境，但是目前的硬件技術(shù)還滿足不了這種需求?！?/p>

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

[2] Joseph Mitola.Cognitive Radio- An Integrated Agent Architecture for Software Def i ned Radio [D].Stockholm, Sweden: Royal Institute Techno logy(KTH) , 2000.

[3] Joseph Mitola.Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[J].Mobile Networks and Applications, 2001, 6(5): 435-441.

[4] Joseph Mitola.Cognitive radio: agent-based control of software radio[C] Proceedings of the 1st KarlCRuhe Workshop on Software Radio Technology.Karlsrhe, Germany: KarlCRuhe Workshop, 2000.

[5] Notice of Proposed Rule Making and Order, FCC.Et Docket no.03-322,December 2003.

[6] Haykin Simon.Cognitive Radio: Brain-empowered wireless communications [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005, 23(2): 201-220.

[7] IEEE 802.22 Document.22-05-0007-xx-0000_RAN_Requirements.doc[Online].

[8] T.A.Weiss, F.K.Jondral.Spectrum poling an inovative strategy for the enhancement of spectrum efficiency.IEEE Communications Magazine,March 2004, 42(3), 8-14

[9] Nie Nie, C.Comaniciu.Adaptive channel allocation spectrum etiquette for cognitive radio networks.New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, November 2005: 269-278

[10] 郭彩麗，張?zhí)炜?，曾志民等．認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用的研究現(xiàn)狀[J] ．電信科學(xué)，2006(8):50-55

[11] 暢志賢，石明衛(wèi)．認(rèn)知無線電技術(shù)綜述[J] ．電視技術(shù)，2007，31(8):132-133