認知無線電

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認知無線電(cognitive radio，CR)

　　認知無線電是指具有自主尋找和使用空閑頻譜資源能力的智能無線電技術。

　　對於認知無線電的解釋，較有代表的是Mitola、FCC、ITU—WP8A、JohnNotor等組織或個人給出的認知無線電的定義。

　　Mitola認為，認知無線電可保證個人無線數字助理(PDA)和相關網路智能地偵測用戶的通信需求併為這些需求提供最適合的無線電資源，作為軟體無線電的一種，它結合了應用軟體、界面和認知等功能。

　　FCC定義認知無線電是一種可通過與其運行環境交互而改變其發射機參數的無線電。該定義目前大家比較認同。

　　ITUWP8A定義認知無線電為這樣的無線電或系統，它可感知或瞭解其操作的環境，從而動態、自治地調整其操作參數。

　　JohnNotor認為，軟體無線電(SDR)不是CR實現的必然條件，CR也不是SDR的發展，它們之間是重疊關係。

　　概括來說，認知無線電具有偵測(sensing)、適應、學習、機器推理、最優化、多任務以及併發處理／應用的性能。

　　OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded), 是Wireless@Virginia Tech 貢獻給開源社區的對軟體定義無線電（SDR）尤其是對認知無線電的探索。它的主要目的是用於對軟體定義無線電和無線通信技術進行研發和教學。該軟體包包含基於JTRS 的軟體通信結構（SCA）的SDR 的核心構架、快速開發 SDR 部件和信號波形處理程式的工具、預製部件的庫及信號處理程式。而且還包括同Naval Postgraduate School 共同開發的用於實驗室練慣用的一組免費的練習，用於SDR 的教學和培訓用。OSSIE 同GNU Radio 一樣都可使用通用軟體無線電平臺（Universal Software Radio Peripheral - USRP）。

　　隨著無線通信技術的飛速發展，頻譜資源變得越來越緊張。尤其是隨著無線區域網（WLAN）技術、無線個人域網路（WPAN）技術的發展，越來越多的人通過這些技術以無線的方式接入互聯網。這些網路技術大多使用非授權的頻段（UFB）工作。由於WLAN、WRAN無線通信業務的迅猛發展，這些網路所工作的非授權頻段已經漸趨飽和。而另外一些通信業務（如電視廣播業務等）需要通信網路提供一定的保護，使他們免受其他通信業務的干擾。為了提供良好的保護，頻率管理部門專門分配了特定的授權頻段（LFB）以供特定通信業務使用。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。於是就出現了這樣的事實：某些部分的頻譜資源相對較少但其上承載的業務量很大，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：基於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。

　　為瞭解決頻譜資源匱乏的問題，基本思路就是儘量提高現有頻譜的利用率。為此，人們提出了認知無線電的概念。認知無線電的基本出發點就是：為了提高頻譜利用率，具有認知功能的無線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用或只有很少的通信業務在活動的情況下。這種在空域、時域和頻域中出現的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”併合理利用的能力。

　　當非授權通信用戶通過“借用”的方式使用已授權的頻譜資源時，必須保證他的通信不會影響到其他已授權用戶的通信。要做到這一點，非授權用戶必須按照一定的規則來使用所發現的“頻譜空洞”。在認知無線電中，這樣的規則是以某種機器可理解的形式（如XML語言）載入到通信終端上。由於這些規則可以隨時根據頻譜的利用情況、通信業務的負荷與分佈等進行不斷的調整，因此通過這些規則，頻譜管理者就能以更為靈活的方式來管理寶貴的頻譜資源。

　　隨著無線通信技術的飛速發展，人們可以獲得的帶寬不斷的增加。以移動通信為例，傳輸速率從最早的不足10kbit/s提高到現在第三代移動通信技術可以提供2Mbit/s的數據速率只用了不到10年的時間；但即使如此，仍然無法滿足人們對於帶寬的日益增長的需求。一方面，人們不斷開發新的無線通信技術，利用新的頻段來提供各種業務；另外一方面，各種改進的調製和編碼技術也使得現有頻譜的利用效率得以提高。然而，頻譜資源終究是有限的。將來會得到規模應用的MIMO和OFDM技術，在可以預見的情況下，能夠將頻譜的利用效率提高3～4倍，而對於人們對帶寬的幾十倍、上百倍的需求增長，這種提高顯然不能完全的滿足要求。頻譜資源作為一種極具價值的自然資源，其日趨緊張甚至枯竭已成為不爭的事實，而真正要解決這種矛盾，必須對現在的頻譜管理方法進行改進。

　　在單純通過現有的傳輸技術無法有效解決頻譜利用效率偏低的情況下，各種新的思路應運而生，其核心都是如何有效地實現頻譜的重用。該領域存在著以下兩個基本的研究方向。

　　一個研究方向是降低信號的功率譜密度來進行頻譜的復用，其典型應用就是超寬頻（UWB，UltraWideband）技術。FCC定義信號帶寬大於1.5GHz或者信號帶寬與中心頻率之比大於25%的稱為超寬頻。UWB技術通過採用頻譜重疊的方式占用一段極寬的帶寬，並嚴格限制其信號的發射功率，儘可能地減少給現存系統帶來的有害干擾，從而實現與目前窄帶信號的共存和兼容，最終達到頻譜復用的目的。

認知無線電的基本思路

　　另一個研究方向就是採用一種新的頻譜管理技術，以達到充分利用頻譜的目的。這種思路的基本出發點就是：在不影響授權頻段的正常通信的基礎上，具有一定感知能力的無線通信設備可以按照某種機會方式來接入授權的頻段內，並動態地利用其頻譜。由於現在頻譜資源利用率偏低，在空域、時域和頻域都會出現對於當前通信冗餘的、可以被利用的頻率資源，這些頻率資源被稱為頻譜空穴（SpectrumHoles），如右圖所示。認知無線電的基本思路就是基於如何有效地利用這些“頻譜空穴”。如果一種通信系統中能完成如下的功能：具備認知功能，以“機會方式”接入頻譜的次級用戶（SecondaryUser）能夠通過對頻譜的感知和分析，智能地使用空閑頻譜並避免對擁有授權頻段的主用戶（PrimaryUser）形成干擾；而主用戶以最高的優先順序使用被授權的頻段。當主用戶要使用授權頻段時，次級用戶需要及時停止使用頻譜，將通道讓給主用戶，那麼當前頻譜效率低下的現狀將得以大大的改善 。認知無線電就是基於這種思路誕生的。

　　由以上敘述和介紹可知，認知無線電具備認知能力和重構能力兩個基本特征。

　　(1)認知能力

　　認知能力使認知無線電能夠從其工作的無線環境中捕獲或者感知信息，從而可以標識特定時間和空間內未使用的頻譜資源(頻譜空穴)，並選擇最適當的頻譜和工作參數。根據瑞典皇家科學院(KTH)使用的認知迴圈，這一任務主要包括頻譜感知、頻譜分析和頻譜判定3個步驟。頻譜感知的主要功能是監測可用頻段、檢測頻譜空穴；頻譜分析估計頻譜感知獲取的頻譜空穴特性；頻譜判定根據頻譜空穴的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數據。

　　(2)重構能力

　　重構能力使得認知無線電設備可以根據無線環境動態編程，從而允許認知無線電設備採用不同的無線傳輸技術收發數據。在不對頻譜授權用戶產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，這是重構的核心思想。當該頻段被授權用戶使用時，認知無線電有兩種應對方式：一是切換到其它空閑頻段進行通信；二是繼續使用該頻段，但改變發射功率或者調製方案，以避免對授權用戶造成有害干擾。

　　1.頻譜感知技術

　　CR中的頻譜感知包含兩個方面，帶內檢測和帶外檢測。從用戶在工作時必須頻繁地對當前工作頻段和其他頻段進行感知操作。對當前工作頻段感知的目的是檢測頻段是否出現主用戶。當出現主用戶時可以進行快速的規避，放棄對當前工作頻段的占用，從而避免對主用戶形成干擾。對其他頻段感知的目的是對周圍其他頻段的頻譜使用狀況進行測量。一方面在當前工作頻段不可用時，可以及時切換到其他可用的工作頻段：另一方面，可以利用新的可用頻譜資源擴展工作頻段，從而提高傳輸速率和網路的容量。同時進行頻譜感知有利於頻譜資源的管理，共用和交換。

　　2.正交頻分復用技術

　　正交頻分復用(0FDM)的基本原理是把高速數據流進行串並變換，形成傳輸速率相對較低的若幹個並行數據流，然後分別在不同的子通道中傳輸。可用載波被劃分為多個正交的子載波或通道，每一子載波傳輸通信數據的一部分。每一個子載波的狀況，包括發射功率、比特速率及是否使用，可以分別進行設定。cR用戶工作的頻段可能存在多種不同類型頻譜空洞。通過OFDM技術減少子載波可以利用所覆蓋頻段範圍內的多個頻率上不連續的頻譜空洞，將分散的頻譜空洞拼接成一個連續的頻譜空洞用於數據傳輸。利用OFDM技術的特點，系統既能夠使用頻域內連續的多個通道，即通道連接模式，也能夠使用頻域內不連續的多個通道，即通道聚合模式。對多通道支持的特性可以採用通道分組與匹配機制以減少一些相關控制信息的開銷。

　　3.動態頻率選擇技術和傳輸功率控制技術

　　動態頻率選擇技術的基礎是感知技術。動態頻率選擇技術通過對當前工作通道和其他通道的感知結果，藉助OFDM技術，採取調整帶寬或切換通道的方法，及時地在主用戶出現時進行工作頻段的退避。動態頻率選擇技術能夠實現通信的持續進行，為網路的可靠傳輸提供保證。通道切換能力是動態頻率選擇技術中的重要功能。而對於傳輸功率控制技術而言，其關鍵是可以實現對任意用戶間傳播損耗的估計和用戶處雜訊的測量。根據這些信息，在保證誤碼率的情況下，儘量降低發射功率從而減少對主用戶的干擾。

　　4.頻譜資源的共用與分配技術

　　通常通信中所包含的用戶數量是有限的，對於無線頻譜感知也僅局限於工作區域內的部分頻率範圍。將大量時間進行無線頻譜的探測是不現實的，同時對區域外主用戶的探測也是不理想的。頻譜資源的共用與分配技術中，通過多個網路對頻段的探測，經過信息交換，任何一個網路都可以構造網路附近的無線頻譜的使用狀況，進而可以無衝突分享可用的網路資源。該技術的實現將涉及不同網路間的信息交換方法和頻譜資源的分配方法。

認知無線電與軟體無線電物理平臺結構的比較

　　認知無線電的物理平臺的實現是以軟體無線電平臺為基礎的，其物理平臺結構與軟體無線電平臺結構基本相同，兩者之間的比較如右圖所示，它主要在軟體無線電平臺的基礎上增加了感知，學習等功能，以實現其獨特的認知能力。

　　其中，無論對於軟體無線電平臺還是認知無線電平臺，軟體部分的硬體支撐都是通用硬體平臺。也就是說，從右圖可以看出，和軟體無線電類似，認知無線電物理平臺也主要由射頻前端、數模模數轉換器以及通用硬體平臺3個部分組成。

　　其中，為軟體提供硬體支撐的認知無線電通用硬體平臺的組成和結構與軟體無線電系統的硬體平臺基本類似，但除了常見通信系統所需的數字信號處理外，認知無線電還需要完成頻譜感知、頻譜分析、頻譜判決等認知無線電特有的功能。

　　而認知無線電平臺中使用的A/D和D/A模塊的作用和性能指標也與軟體無線電系統基本相同。A/D和D/A模塊一般集成在通用硬體平臺之中。

　　另外，認知無線電平臺射頻前端除了完成軟體無線電系統所需的不同頻段的寬頻射頻信號和中頻信號之間的轉換外，還需要協助甚至單獨完成寬頻頻譜感知等認知無線電特有的功能。但就結構而言，認知無線電平臺的射頻模塊與軟體無線電平臺的射頻前端基本類似。關於認知無線電的射頻前端技術將在下麵重點介紹。

認知無線電的寬頻射頻前端結構

　　相對軟體無線電系統而言，認知無線電系統射頻模塊的特點就是，它需要協助系統甚至單獨完成寬頻頻譜感知功能。這個功能要求射頻模塊的射頻硬體具有很寬的工作頻帶範圍，從而實現對頻譜信息實時的、大範圍的測量。和軟體無線電射頻模塊類似，認知無線電射頻模塊的基本體繫結構如右圖所示。

　　從右圖中可以看出，和軟體無線電的射頻模塊類似，認知無線電的射頻前端具有混頻、放大和自動增益控制等功能，實現大頻譜範圍內的射頻信號與中頻信號之間的轉換，從而解決A/D的性能不滿足對射頻信號直接採樣的問題。其中，可編程帶通濾波器、低雜訊放大器、可編程本地振蕩器以及混頻器和自動增益控制等需要具有與軟體無線電平臺類似的性能參數。

　　為了協助完成認知無線電系統的認知功能，對周圍無線電環境中的授權用戶進行檢測，認知無線電系統的射頻模塊對某些部件的要求要高於軟體無線電系統，它要求射頻前端具有在大動態範圍內檢測一個或多個弱信號的能力，即接收機需要具有足夠的工作帶寬和靈敏度，使其能準確地檢測不同頻帶不同功率電平的主信號。同時，考慮到頻譜感知一般由能量檢測、特征檢測等方法完成，如果射頻模塊需要單獨完成頻譜感知，它還需要具有信號處理功能。

　　目前，國內外認知無線電技術的研究大都集中在物理層、MAC層、網路層的功能方面，如頻譜感知、功率控制、頻譜共用、頻譜移動性管理、認知無線電的安全技術以及認知無線電的跨層設計等技術。

　　針對認知無線電的發展，世界各國通信專家都密切關註，國內外的大學和科研機構也相續開展了認知無線電技術的研究。其中主要的研究機構有美國國防高級研究計劃署（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、維吉尼亞無線通信技術中心、英國移動電信技術虛擬中心多模終端研究小組、布裡斯托爾大學通信系統研究中心和歐洲通信協會等。此外，美國加州大學伯克利分校的無線研究中心、荷蘭的代爾夫特大學、德國柏林技術學院等也有關於認知無線電方面的研究。

　　近幾年，國內研究機構也開始關註和跟蹤該技術，並開展了相關的研究，這些研究機構主要是清華大學、電子科技大學、西安交通大學及香港科技大學等高校。鑒於目前的認知無線電的研究狀況，國家“863”計劃基金也在2005年首次支持了認知無線電關鍵技術的研究。

　　認知無線電技術被視為解決當前頻譜資源利用率低的有效方案。各標準化組織和行業聯盟紛紛展開對認知無線電技術的研究，並著手制定認知無線電的標準和協議，以其推動認知無線電技術的發展和應用。涉及認知無線電標準化的機構主要有美國電氣電子工程師協會（IEEE）、國際電信聯盟（ITU）、軟體無線電論壇（SDRForum）和美國國防部高級研究計劃署（DARPA）等。

　　IEEE涉及認知無線電的標準最受關註的有兩個：IEEE802.22和IEEESCC41（或者稱為P1900）。其中，IEEE802.22是採用認知無線電技術為基礎的空中介面標準，IEEESCC41的標準化工作主要涉及動態頻譜接入的相關技術。另外，我們認為，共存問題、動態頻譜選擇和功率控制、動態頻譜接入等技術都屬於認知無線電的範疇。因此，除上述兩個標準之外，IEEE還有其他幾個標準也涉及認知無線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

　　已經完成的標準化有：（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中的應用

　　2003年12月，FCC在其規則的第15章公佈了修正案。法律規定[7]“只要具備認知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現有無線頻帶”，這為新的無線資源管理技術奠定了法律基礎。WRAN的目的就是使用認知無線電技術將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶（北美為54～862MHz）的頻率用作寬頻訪問線路，將空閑頻道有效地利用起來。IEEE802.22標準工作組於2005年9月完成了對WRAN的功能需求和通道模型文檔，2006年開始對各個公司提交的提案進行審議和合併，並於2006年3月形成了最終的合併提案作為編寫標準的基礎。

　　2、在UWB中的應用

　　UWB技術產生於20世紀60年代，當時主要應用於脈衝雷達（ImpulseRadar），美國軍方利用其進行安全通信中的精確定位和成像。至20世紀90年代之前，UWB主要應用於軍事領域，之後UWB技術開始應用於民用領域。UWB由於具有傳輸速率高、系統容量大、抵抗多徑能力強、功耗低、成本低等優點，被認為是下一代無線通信的革命性技術，而且是未來多媒體寬頻無線通信中最具潛力的技術。

　　認知無線電採用頻譜感知技術，能夠感知周圍頻譜環境的特性，通過動態頻譜感知來探測“頻譜空洞”，合理地、機會性地利用臨時可用的頻段，潛在地提高頻譜的利用率。與此同時，認知無線電技術還支持根據感知結果動態地、自適應地改變系統的傳輸參數，以保證高優先順序的授權主用戶對頻段的優先使用，改善頻譜共用，與其他系統更好地共存。

　　3、在WLAN中的應用

　　以IEEE802.11標準為基礎的無線技術已經成為目前WLAN技術的主流，通過接入無線網路實現移動辦公已經成為很多人生活方式的一部分。隨著無線區域網的普及，頻譜資源越來越緊張，某些工作頻段的通信業務近乎達到飽和狀態，無法滿足新的業務請求；同時，某些其他頻段比較空閑，能夠提供更多的可用通道。在這樣的背景下，認知無線電技術的出現和發展為解決以上問題帶來了新的思路。認知無線電技術能通過不斷掃描頻譜段，獲得這些可用通道的通道環境和質量的認知信息，自適應地接入較好的通信通道，這正是解決WLAN頻段擁擠問題的方法。因此認知無線電技術對於WLAN而言更具有吸引力。而且無線區域網具有工作區域小、工作地點靈活、無線環境相對簡單等特點，更有利於認知無線電技術的實現。

　　4、在Mesh網路中的應用

　　無線Mesh網路是近幾年出現的具有一種無線多跳（Multi-hop）的網路結構。在Mesh網路中，每個節點可以和一個或者多個對等節點直接通信；同時也能模擬路由器的功能，從鄰近節點接收消息併進行中繼轉發。這樣，Mesh網路通過鄰近節點之間的低功率傳輸取代了遠距離節點間的大功率傳輸，實現了低成本的隨時隨地接入。網路中所有節點之間是相互協作的，如果Mesh網路中的一條鏈路失效了，網路可以通過替代鏈路將信息路由到目的地，優化了頻譜的使用。

　　認知無線電和無線Mesh網路結合，正是在增大網路密度和提高服務吞吐量的發展趨勢下提出來的，適用於可能有嚴重的線路爭用情況的人口稠密城市的無線寬頻接入。認知Mesh網路通過中繼方式可以有效地擴展網路覆蓋範圍，當一個無線Mesh網的骨幹網路是由認知接入點和固定中繼點組成時，無線Mesh網的覆蓋範圍能夠大大增加。尤其是在受限於視距傳輸的微波頻段，認知Mesh網路將有利於在微波頻段實現頻譜的開放接入。

　　5、在Ad-hoc中的應用

　　一般的多跳Ad-hoc網路在發送數據包時會預先確定通信路由。認知無線電技術能夠實時地收集信息並且自動選擇波形，並向各方通知尚未使用的頻率信息，適用於具有不可提前預測的頻譜使用模式的應用場景。因此，當認知無線電技術應用於低功耗多跳Ad-hoc網路，能夠滿足分散式認知用戶之間的通信需求。

　　由於認知無線電系統可根據周圍環境的變化動態地進行頻率的選擇，而頻率的改變通常需要路由協議等進行相應調整，因此，基於認知無線電技術的Ad-hoc網路需要新的支持分散式頻率共用的MAC協議和路由協議。