淺談認知無線電

本文通過對認知無線電（CR）的概念、提出的背景、特點、原理的介紹，分析了它的若干關鍵技術，并說明了它的頻譜管理思想、發展現狀，最后提及了它與軟件無線電（SDR）的關系。研究認為，現階段應把CR和SDR技術聯系起來，待各自技術相對成熟后，再將SDR技術融合到CR中，實現真正意義上的CR。
[關鍵詞]? CR； 關鍵技術； SDR
[Abstract]? This essay introduces the definition、background、characteristic、principle of Cognitive Radio,CR, and we analyze its several key technologies, besides, we talk about its management ideas、the present situation of development, and in the end, we connect it with SDR. This essay point that now we should connect CR with SDR, and we could merge SDR into CR when technology develops and realize real CR.
[Key words] CR;? key technologies;? SDR

引 言
現代社會中，無線頻譜已成為不可或缺的寶貴資源。美國聯邦通信委員會（FCC）的大量研究表明，一些非授權頻段如工業、科學和醫用頻段以及用于陸地移動通信的2GHz左右的頻段過于擁擠，而有些頻段卻經常空閑。于是人們想到，若有一種系統,它能自動感知所處的頻譜環境，發現頻譜空洞(暫時沒有被主用戶使用的頻段)并利用它，就能在很大程度上提高頻譜利用率。基于這種思想，人們提出了認知無線電。

1? 認知無線電概念
認知無線電(Cognitive Radio,CR) 的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作[1]。它可以通過學習、理解等方式，自適應的調整內部的通信機理、實時改變特定的無線操作參數（如功率、載波調制和編碼等）等，來適應外部無線環境，自主尋找和使用空閑頻譜。它能幫助用戶選擇最好的、最適合的服務進行無線傳輸，甚至能夠根據現有的或者即將獲得的無線資源延遲或主動發起傳送。

2? 認知無線電特點
對環境的感知能力：此特點是CR技術成立的前提，只有在環境感知和檢測的基礎上，才能使用頻譜資源。頻譜感知的主要功能是監測一定范圍的頻段，檢測頻譜空洞。
對環境變化的學習能力、自適應性：此特點體現CR技術的智能性，在遇到主用戶信號時，能盡快主動退避，在頻譜空洞間自如的切換。
通信質量的高可靠性：要求系統能夠實現任何時間任何地點的高度可靠通信，能夠準確地判定主用戶信號出現的時間、地點、頻段[2]等信息，及時調整自身參數，提高通信質量。
系統功能模塊的可重構性：CR設備可根據頻譜環境動態編程，也可通過硬件設計，支持不同的收發技術。可以重構的參數包括：工作頻率、調制方式、發射功率和通信協議等。

3? 認知無線電原理
認知無線電原理如圖1所示,由圖可看出,CR設備對周圍環境感知、探測、分析，這種探測和感知是全方位的，應對地形、氣象等綜合信息也有所了解。由此圖也可得出，CR是高智能設備，應包含一個智能收發器。有了足夠的人工智能，它就能吸取過去的經驗對實際情況進行響應，過去的經驗包括對死區、干擾和使用模式等的了解。它的學習能力是使它從概念走向應用的真正原因。
?
圖1：認知無線電原理圖
當CR用戶發現頻譜空洞，使用已授權用戶的頻譜資源時[3]，必須保證它的通信不會影響到已授權用戶的通信，一旦該頻段被主用戶使用，CR有兩種應對方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續使用該頻段，改變發射頻率或調制方案，避免對主用戶的干擾。

4? 認知無線電的關鍵技術
4．1? 頻譜檢測技術
頻譜檢測是在復雜的環境中監測出CR可以使用的頻譜空隙，下圖2是實際中的操作圖：
?
??????????????? 圖2:實際中的頻譜檢測圖
上圖中，左邊部分是對所處環境的處理，掌握環境的各種信息是正確判決頻譜信息的前提，如何從復雜環境中提取有用的信息，需要科研人員綜合各種技術。
對環境的處理主要考慮CR設備的無縫接入、安全性、隱私性、數據學習能力、跟蹤能力、數據動態管理、定位、感知等。下面主要介紹無縫接入。
無縫接入保證了動態環境中CR的精確性，實現它主要有兩種方法：基于波形的方法和基于環境感知的方法。前一種在定位系統和波形轉換器中裝有標準波形，需要的時候隨時調用。歐洲的SPACE項目利用了此方法，該模型由定位系統、波形器、算法選擇器、傳感器等組成。第二種方法是感知信道環境的參數，據此選擇正確的算法。在未知環境中，基于RSS的定位分析算法已被廣泛采用，此算法綜合分析了CR設備的定位參數和在信道環境中設備的損失參數，經傳感器輸出信號保證無縫接入。后一種方法比前一種方法的復雜度低，CR被認為應具有兩種方法。
目前頻譜檢測研究較多的方法有：匹配濾波器法、能量檢測法、循環平衡特定檢測法等。
匹配濾波器法：若CR用戶已預先得知主用戶信號的各種信息，在加性高斯噪聲信道中，此法能得到最佳的效果，它能使接收信號的信噪比最大化。它的缺點是CR需要主用戶的信息，適用于對主用戶信息比較了解的頻譜環境中，如大家已熟悉的超高頻電視頻段中。
能量檢測法：能量檢測法適用于不知道主用戶信息的環境中，針對此方法，FCC提出了干擾溫度限這一新的度量概念，干擾溫度在它以下的信道就是適宜的頻譜空穴。它的優點是操作簡單，缺點是干擾溫度限較難設定，它的門限值需視具體的環境而定[4]。
循環平衡特定檢測法：在通信中，有用信號一般受人工周期信號的調制，有潛在的周期性，而噪聲沒有這個特性，此方法就是利用這個特點進行檢測的，比較適合于噪聲環境中。它的缺點是算法復雜計算量大，檢測時間相對長一些。
4．2 認知無線電中的頻譜管理
現階段，有人把頻譜劃分為三個等級：第一等級：嚴格管理、不可干擾；第二等級：在一定程度上可被非授權用戶干擾；第三等級：無限制的使用。目前CR的頻譜管理思想仍沒有達成共識。好的管理思想應能體現CR的優勢，提高頻譜利用率，以適應現代社會的需要。當前，一些標準化組織先后制定了一系列標準以推動該技術在多種應用場景下的發展。目前各種基于CR的頻譜管理思想和管理規則仍在研究之中。

5? 認知無線電發展現狀
目前，CR主要處于初級階段，各項理論和技術處于研究探索中，但它已得到了各界的關注，很多著名學者和機構都投入到它的研究中，啟動了很多針對此的重要研究項目。最引人關注的是IEEE802.22工作組的工作，該工作組制訂了利用空閑電視頻段進行寬帶無線接入的技術標準，這是第一個引入認知無線電概念的IEEE技術標準化活動。無線電知識描述語言(RKRL)也應運而生。近期CR的主要目標是提高頻譜利用率，研究預計，頻譜利用率將提高3%-10%不等[5]。它的長遠目標是與各項技術更好的結合，滿足日益增長的用戶對頻譜的要求。目前，認知無線電技術炙手可熱，應用前景一片大好。有報道稱具有認知功能的無線局域網產品將在近一兩年內問世，但是要真正實現CR技術還需解決包括頻譜檢測技術、自適應頻譜資源分配技術和無線頻譜管理技術等關鍵技術問題。

6? 認知無線電與軟件無線電的關系
認知無線電技術是在軟件無線電技術(SDR)的基礎上發展起來的一種新的智能無線通信技術，它是SDR的擴展，它使SDR從預先定義協議的盲目執行者轉變成無線電領域的智能代理。CR最基本的形式，是包含SDR的一種混合技術，其中SDR被應用于擴頻通信，SDR關注的是無線電系統信號處理的實現方式；而CR是指無線系統能夠感知操作環境的變化，并據此調整系統工作參數[6]。從這個意義上講，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、政策、規則和目標進行推理和規劃的高層功能。本文認為，在現階段，我們可以利用SDR和CR的各自優勢，讓SDR主要完成后臺工作，比如信號處理和相應的算法，CR根據SDR的處理結果智能的選擇頻譜空洞，它們明確的分工合作，可以提高效率。當CR監測到頻譜空洞后，將此頻譜的相關信息發送到SDR端，比如主用戶的信息：調制方式、時序、封裝格式等， SDR做分析處理，在SDR端，快速的處理保證了CR的實時性。待技術成熟后，可以考慮綜合利用各種技術，擴大CR功能，將SDR轉移結合到CR中，實現系統的優化。

結 論
認知無線電技術的提出，為解決頻譜資源不足、實現頻譜動態管理及提高頻譜利用率提供了強有力的技術支撐。為頻譜資源的充分利用提供了非常有力的支持[7]，它將成為下一波有沖擊性的技術革新浪潮。現階段人們正在研究探索實現CR的各項技術，本文認為，可以先將它與SDR結合，待技術成熟后，再擴大CR功能，做成優良的CR成品。