认知无线电

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认知无线电(cognitive radio，CR)

　　认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。

　　对于认知无线电的解释，较有代表的是Mitola、FCC、ITU—WP8A、JohnNotor等组织或个人给出的认知无线电的定义。

　　Mitola认为，认知无线电可保证个人无线数字助理(PDA)和相关网络智能地侦测用户的通信需求并为这些需求提供最适合的无线电资源，作为软件无线电的一种，它结合了应用软件、界面和认知等功能。

　　FCC定义认知无线电是一种可通过与其运行环境交互而改变其发射机参数的无线电。该定义目前大家比较认同。

　　ITUWP8A定义认知无线电为这样的无线电或系统，它可感知或了解其操作的环境，从而动态、自治地调整其操作参数。

　　JohnNotor认为，软件无线电(SDR)不是CR实现的必然条件，CR也不是SDR的发展，它们之间是重叠关系。

　　概括来说，认知无线电具有侦测(sensing)、适应、学习、机器推理、最优化、多任务以及并发处理／应用的性能。

　　OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded), 是Wireless@Virginia Tech 贡献给开源社区的对软件定义无线电（SDR）尤其是对认知无线电的探索。它的主要目的是用于对软件定义无线电和无线通信技术进行研发和教学。该软件包包含基于JTRS 的软件通信结构（SCA）的SDR 的核心构架、快速开发 SDR 部件和信号波形处理程序的工具、预制部件的库及信号处理程序。而且还包括同Naval Postgraduate School 共同开发的用于实验室练习用的一组免费的练习，用于SDR 的教学和培训用。OSSIE 同GNU Radio 一样都可使用通用软件无线电平台（Universal Software Radio Peripheral - USRP）。

　　随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网（WLAN）技术、无线个人域网络（WPAN）技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段（UFB）工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务（如电视广播业务等）需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段（LFB）以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多（大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用）。而相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。因此，可以得出这样的结论：基于目前的频谱资源分配方法，有相当一部分频谱资源的利用率是很低的。

　　为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。为此，人们提出了认知无线电的概念。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机（Opportunistic Way）”的方式工作在已授权的频段内。当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。

　　当非授权通信用户通过“借用”的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证他的通信不会影响到其他已授权用户的通信。要做到这一点，非授权用户必须按照一定的规则来使用所发现的“频谱空洞”。在认知无线电中，这样的规则是以某种机器可理解的形式（如XML语言）加载到通信终端上。由于这些规则可以随时根据频谱的利用情况、通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，因此通过这些规则，频谱管理者就能以更为灵活的方式来管理宝贵的频谱资源。

　　随着无线通信技术的飞速发展，人们可以获得的带宽不断的增加。以移动通信为例，传输速率从最早的不足10kbit/s提高到现在第三代移动通信技术可以提供2Mbit/s的数据速率只用了不到10年的时间；但即使如此，仍然无法满足人们对于带宽的日益增长的需求。一方面，人们不断开发新的无线通信技术，利用新的频段来提供各种业务；另外一方面，各种改进的调制和编码技术也使得现有频谱的利用效率得以提高。然而，频谱资源终究是有限的。将来会得到规模应用的MIMO和OFDM技术，在可以预见的情况下，能够将频谱的利用效率提高3～4倍，而对于人们对带宽的几十倍、上百倍的需求增长，这种提高显然不能完全的满足要求。频谱资源作为一种极具价值的自然资源，其日趋紧张甚至枯竭已成为不争的事实，而真正要解决这种矛盾，必须对现在的频谱管理方法进行改进。

　　在单纯通过现有的传输技术无法有效解决频谱利用效率偏低的情况下，各种新的思路应运而生，其核心都是如何有效地实现频谱的重用。该领域存在着以下两个基本的研究方向。

　　一个研究方向是降低信号的功率谱密度来进行频谱的复用，其典型应用就是超宽带（UWB，UltraWideband）技术。FCC定义信号带宽大于1.5GHz或者信号带宽与中心频率之比大于25%的称为超宽带。UWB技术通过采用频谱重叠的方式占用一段极宽的带宽，并严格限制其信号的发射功率，尽可能地减少给现存系统带来的有害干扰，从而实现与目前窄带信号的共存和兼容，最终达到频谱复用的目的。

认知无线电的基本思路

　　另一个研究方向就是采用一种新的频谱管理技术，以达到充分利用频谱的目的。这种思路的基本出发点就是：在不影响授权频段的正常通信的基础上，具有一定感知能力的无线通信设备可以按照某种机会方式来接入授权的频段内，并动态地利用其频谱。由于现在频谱资源利用率偏低，在空域、时域和频域都会出现对于当前通信冗余的、可以被利用的频率资源，这些频率资源被称为频谱空穴（SpectrumHoles），如右图所示。认知无线电的基本思路就是基于如何有效地利用这些“频谱空穴”。如果一种通信系统中能完成如下的功能：具备认知功能，以“机会方式”接入频谱的次级用户（SecondaryUser）能够通过对频谱的感知和分析，智能地使用空闲频谱并避免对拥有授权频段的主用户（PrimaryUser）形成干扰；而主用户以最高的优先级使用被授权的频段。当主用户要使用授权频段时，次级用户需要及时停止使用频谱，将信道让给主用户，那么当前频谱效率低下的现状将得以大大的改善 。认知无线电就是基于这种思路诞生的。

　　由以上叙述和介绍可知，认知无线电具备认知能力和重构能力两个基本特征。

　　(1)认知能力

　　认知能力使认知无线电能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间内未使用的频谱资源(频谱空穴)，并选择最适当的频谱和工作参数。根据瑞典皇家科学院(KTH)使用的认知循环，这一任务主要包括频谱感知、频谱分析和频谱判定3个步骤。频谱感知的主要功能是监测可用频段、检测频谱空穴；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空穴特性；频谱判定根据频谱空穴的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。

　　(2)重构能力

　　重构能力使得认知无线电设备可以根据无线环境动态编程，从而允许认知无线电设备采用不同的无线传输技术收发数据。在不对频谱授权用户产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务，这是重构的核心思想。当该频段被授权用户使用时，认知无线电有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段进行通信；二是继续使用该频段，但改变发射功率或者调制方案，以避免对授权用户造成有害干扰。

　　1.频谱感知技术

　　CR中的频谱感知包含两个方面，带内检测和带外检测。从用户在工作时必须频繁地对当前工作频段和其他频段进行感知操作。对当前工作频段感知的目的是检测频段是否出现主用户。当出现主用户时可以进行快速的规避，放弃对当前工作频段的占用，从而避免对主用户形成干扰。对其他频段感知的目的是对周围其他频段的频谱使用状况进行测量。一方面在当前工作频段不可用时，可以及时切换到其他可用的工作频段：另一方面，可以利用新的可用频谱资源扩展工作频段，从而提高传输速率和网络的容量。同时进行频谱感知有利于频谱资源的管理，共享和交换。

　　2.正交频分复用技术

　　正交频分复用(0FDM)的基本原理是把高速数据流进行串并变换，形成传输速率相对较低的若干个并行数据流，然后分别在不同的子信道中传输。可用载波被划分为多个正交的子载波或通道，每一子载波传输通信数据的一部分。每一个子载波的状况，包括发射功率、比特速率及是否使用，可以分别进行设定。cR用户工作的频段可能存在多种不同类型频谱空洞。通过OFDM技术减少子载波可以利用所覆盖频段范围内的多个频率上不连续的频谱空洞，将分散的频谱空洞拼接成一个连续的频谱空洞用于数据传输。利用OFDM技术的特点，系统既能够使用频域内连续的多个信道，即信道连接模式，也能够使用频域内不连续的多个信道，即信道聚合模式。对多信道支持的特性可以采用信道分组与匹配机制以减少一些相关控制信息的开销。

　　3.动态频率选择技术和传输功率控制技术

　　动态频率选择技术的基础是感知技术。动态频率选择技术通过对当前工作信道和其他信道的感知结果，借助OFDM技术，采取调整带宽或切换信道的方法，及时地在主用户出现时进行工作频段的退避。动态频率选择技术能够实现通信的持续进行，为网络的可靠传输提供保证。信道切换能力是动态频率选择技术中的重要功能。而对于传输功率控制技术而言，其关键是可以实现对任意用户间传播损耗的估计和用户处噪声的测量。根据这些信息，在保证误码率的情况下，尽量降低发射功率从而减少对主用户的干扰。

　　4.频谱资源的共享与分配技术

　　通常通信中所包含的用户数量是有限的，对于无线频谱感知也仅局限于工作区域内的部分频率范围。将大量时间进行无线频谱的探测是不现实的，同时对区域外主用户的探测也是不理想的。频谱资源的共享与分配技术中，通过多个网络对频段的探测，经过信息交换，任何一个网络都可以构造网络附近的无线频谱的使用状况，进而可以无冲突分享可用的网络资源。该技术的实现将涉及不同网络间的信息交换方法和频谱资源的分配方法。

认知无线电与软件无线电物理平台结构的比较

　　认知无线电的物理平台的实现是以软件无线电平台为基础的，其物理平台结构与软件无线电平台结构基本相同，两者之间的比较如右图所示，它主要在软件无线电平台的基础上增加了感知，学习等功能，以实现其独特的认知能力。

　　其中，无论对于软件无线电平台还是认知无线电平台，软件部分的硬件支撑都是通用硬件平台。也就是说，从右图可以看出，和软件无线电类似，认知无线电物理平台也主要由射频前端、数模模数转换器以及通用硬件平台3个部分组成。

　　其中，为软件提供硬件支撑的认知无线电通用硬件平台的组成和结构与软件无线电系统的硬件平台基本类似，但除了常见通信系统所需的数字信号处理外，认知无线电还需要完成频谱感知、频谱分析、频谱判决等认知无线电特有的功能。

　　而认知无线电平台中使用的A/D和D/A模块的作用和性能指标也与软件无线电系统基本相同。A/D和D/A模块一般集成在通用硬件平台之中。

　　另外，认知无线电平台射频前端除了完成软件无线电系统所需的不同频段的宽带射频信号和中频信号之间的转换外，还需要协助甚至单独完成宽带频谱感知等认知无线电特有的功能。但就结构而言，认知无线电平台的射频模块与软件无线电平台的射频前端基本类似。关于认知无线电的射频前端技术将在下面重点介绍。

认知无线电的宽带射频前端结构

　　相对软件无线电系统而言，认知无线电系统射频模块的特点就是，它需要协助系统甚至单独完成宽带频谱感知功能。这个功能要求射频模块的射频硬件具有很宽的工作频带范围，从而实现对频谱信息实时的、大范围的测量。和软件无线电射频模块类似，认知无线电射频模块的基本体系结构如右图所示。

　　从右图中可以看出，和软件无线电的射频模块类似，认知无线电的射频前端具有混频、放大和自动增益控制等功能，实现大频谱范围内的射频信号与中频信号之间的转换，从而解决A/D的性能不满足对射频信号直接采样的问题。其中，可编程带通滤波器、低噪声放大器、可编程本地振荡器以及混频器和自动增益控制等需要具有与软件无线电平台类似的性能参数。

　　为了协助完成认知无线电系统的认知功能，对周围无线电环境中的授权用户进行检测，认知无线电系统的射频模块对某些部件的要求要高于软件无线电系统，它要求射频前端具有在大动态范围内检测一个或多个弱信号的能力，即接收机需要具有足够的工作带宽和灵敏度，使其能准确地检测不同频带不同功率电平的主信号。同时，考虑到频谱感知一般由能量检测、特征检测等方法完成，如果射频模块需要单独完成频谱感知，它还需要具有信号处理功能。

　　目前，国内外认知无线电技术的研究大都集中在物理层、MAC层、网络层的功能方面，如频谱感知、功率控制、频谱共享、频谱移动性管理、认知无线电的安全技术以及认知无线电的跨层设计等技术。

　　针对认知无线电的发展，世界各国通信专家都密切关注，国内外的大学和科研机构也相续开展了认知无线电技术的研究。其中主要的研究机构有美国国防高级研究计划署（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、维吉尼亚无线通信技术中心、英国移动电信技术虚拟中心多模终端研究小组、布里斯托尔大学通信系统研究中心和欧洲通信协会等。此外，美国加州大学伯克利分校的无线研究中心、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院等也有关于认知无线电方面的研究。

　　近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，并开展了相关的研究，这些研究机构主要是清华大学、电子科技大学、西安交通大学及香港科技大学等高校。鉴于目前的认知无线电的研究状况，国家“863”计划基金也在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。

　　认知无线电技术被视为解决当前频谱资源利用率低的有效方案。各标准化组织和行业联盟纷纷展开对认知无线电技术的研究，并着手制定认知无线电的标准和协议，以其推动认知无线电技术的发展和应用。涉及认知无线电标准化的机构主要有美国电气电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛（SDRForum）和美国国防部高级研究计划署（DARPA）等。

　　IEEE涉及认知无线电的标准最受关注的有两个：IEEE802.22和IEEESCC41（或者称为P1900）。其中，IEEE802.22是采用认知无线电技术为基础的空中接口标准，IEEESCC41的标准化工作主要涉及动态频谱接入的相关技术。另外，我们认为，共存问题、动态频谱选择和功率控制、动态频谱接入等技术都属于认知无线电的范畴。因此，除上述两个标准之外，IEEE还有其他几个标准也涉及认知无线电，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

　　已经完成的标准化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）IEEE802.11h-2003。

　　1、在WRAN中的应用

　　2003年12月，FCC在其规则的第15章公布了修正案。法律规定[7]“只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”，这为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。WRAN的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带（北美为54～862MHz）的频率用作宽带访问线路，将空闲频道有效地利用起来。IEEE802.22标准工作组于2005年9月完成了对WRAN的功能需求和信道模型文档，2006年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并，并于2006年3月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础。

　　2、在UWB中的应用

　　UWB技术产生于20世纪60年代，当时主要应用于脉冲雷达（ImpulseRadar），美国军方利用其进行安全通信中的精确定位和成像。至20世纪90年代之前，UWB主要应用于军事领域，之后UWB技术开始应用于民用领域。UWB由于具有传输速率高、系统容量大、抵抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，被认为是下一代无线通信的革命性技术，而且是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术。

　　认知无线电采用频谱感知技术，能够感知周围频谱环境的特性，通过动态频谱感知来探测“频谱空洞”，合理地、机会性地利用临时可用的频段，潜在地提高频谱的利用率。与此同时，认知无线电技术还支持根据感知结果动态地、自适应地改变系统的传输参数，以保证高优先级的授权主用户对频段的优先使用，改善频谱共享，与其他系统更好地共存。

　　3、在WLAN中的应用

　　以IEEE802.11标准为基础的无线技术已经成为目前WLAN技术的主流，通过接入无线网络实现移动办公已经成为很多人生活方式的一部分。随着无线局域网的普及，频谱资源越来越紧张，某些工作频段的通信业务近乎达到饱和状态，无法满足新的业务请求；同时，某些其他频段比较空闲，能够提供更多的可用信道。在这样的背景下，认知无线电技术的出现和发展为解决以上问题带来了新的思路。认知无线电技术能通过不断扫描频谱段，获得这些可用信道的信道环境和质量的认知信息，自适应地接入较好的通信信道，这正是解决WLAN频段拥挤问题的方法。因此认知无线电技术对于WLAN而言更具有吸引力。而且无线局域网具有工作区域小、工作地点灵活、无线环境相对简单等特点，更有利于认知无线电技术的实现。

　　4、在Mesh网络中的应用

　　无线Mesh网络是近几年出现的具有一种无线多跳（Multi-hop）的网络结构。在Mesh网络中，每个节点可以和一个或者多个对等节点直接通信；同时也能模拟路由器的功能，从邻近节点接收消息并进行中继转发。这样，Mesh网络通过邻近节点之间的低功率传输取代了远距离节点间的大功率传输，实现了低成本的随时随地接入。网络中所有节点之间是相互协作的，如果Mesh网络中的一条链路失效了，网络可以通过替代链路将信息路由到目的地，优化了频谱的使用。

　　认知无线电和无线Mesh网络结合，正是在增大网络密度和提高服务吞吐量的发展趋势下提出来的，适用于可能有严重的线路争用情况的人口稠密城市的无线宽带接入。认知Mesh网络通过中继方式可以有效地扩展网络覆盖范围，当一个无线Mesh网的骨干网络是由认知接入点和固定中继点组成时，无线Mesh网的覆盖范围能够大大增加。尤其是在受限于视距传输的微波频段，认知Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入。

　　5、在Ad-hoc中的应用

　　一般的多跳Ad-hoc网络在发送数据包时会预先确定通信路由。认知无线电技术能够实时地收集信息并且自动选择波形，并向各方通知尚未使用的频率信息，适用于具有不可提前预测的频谱使用模式的应用场景。因此，当认知无线电技术应用于低功耗多跳Ad-hoc网络，能够满足分布式认知用户之间的通信需求。

　　由于认知无线电系统可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择，而频率的改变通常需要路由协议等进行相应调整，因此，基于认知无线电技术的Ad-hoc网络需要新的支持分布式频率共享的MAC协议和路由协议。