認知無線電：原理、技術與發(fā)展趨勢

　　這一思想在2003年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的《關于修改頻譜分配規(guī)則的征求意見通知》中得到了充分體現(xiàn)，該通知明確提出 采用CR技術作為提高頻譜利用率的技術手段。此后，CR技術受到了產(chǎn)業(yè)界和學術界的廣泛關注，成為了無線通信研究和市場發(fā)展的新熱點。然而，CR技術從理論到大規(guī)模實際應用，還面臨很多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括了技術、政策和市場等諸多方面。本文從技術的角度，總結分析CR的基本原理、關鍵技術，并對將來技術發(fā)展趨勢進行預測。

　　1 認知無線電基本原理

　　1.1 認知無線電的概念與特征

　　自1999年“軟件無線電之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系統(tǒng)地闡述了CR的基本原理以來，不同的機構和學者從不同的角度給出了CR的定義[1-3]，其中比較有代表性的包括FCC 和著名學者Simon Haykin教授的定義。FCC認為：“CR是能夠基于對其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機參數(shù)的無線電”[4]。Simon Haykin則從信號處理的角度出發(fā)，認為：“CR是一個智能無線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術從環(huán)境中學習，通過實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化，以達到以下目的：任何時間任何地點的高度可靠通信；對頻譜資源的有效利用?！?/P>

　　總結上述定義，CR應該具備以下2個主要特征：

　　(1) 認知能力

　　認知能力使CR能夠從其工作的無線環(huán)境中捕獲或者感知信息，從而可以標識特定時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?shù)念l譜和工作參數(shù)。這一任務通常采用圖1所示的認知環(huán)進行表示，包括3個主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測可用頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析估計頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性；頻譜判決根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

　　(2) 重構能力

　　重構能力使得CR設備可以根據(jù)無線環(huán)境動態(tài)編程，從而允許CR設備采用不同的無線傳輸技術收發(fā)數(shù)據(jù)。可以重構的參數(shù)包括：工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。

　　重構的核心思想是在不對頻譜授權用戶(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用授權系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務。一旦該頻段被LU使用，CR有2種應對方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續(xù)使用該頻段，但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案避免對LU的有害干擾。

　　1.2 認知無線電與軟件無線電之間的關系

　　為了便于理解CR的基本原理，有必要將CR與軟件無線電(SDR)進行區(qū)分。根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(IEEE)的定義，一個無線電設備可以稱為SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號處理通過使用數(shù)字信號處理軟件完成；這些軟件可以在出廠后修改[5-11]。

　　因此，SDR關注的是無線電系統(tǒng)信號處理的實現(xiàn)方式；而CR是指無線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化，并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)。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(jù)相應的任務、政策、規(guī)則和目標進行推理和規(guī)劃的高層功能。

　　2 認知無線電物理層關鍵技術

　　通用的CR收發(fā)機結構如圖2所示，結合前文關于CR基本原理的討論，可以發(fā)現(xiàn)，CR物理層的關鍵技術包括：寬帶射頻前端技術、頻譜感知技術和數(shù)據(jù)傳輸技術。

    2.1 寬帶射頻前端技術

　　為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調(diào)諧到大頻譜范圍內(nèi)的任意頻帶。通用的寬帶射頻前端結構如圖3所示，接收的信號通過放大、混頻和A/D轉換等步驟后送入基帶處理，進行頻譜感知或數(shù)據(jù)檢測。其中，射頻濾波器通過通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號；低噪放大器(LNA)在放大所需信號的同時最小化噪聲；鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和混頻器聯(lián)合控制，將所需要的接收信號轉換到基帶或者中頻處理；信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾；自動增益控制(AGC)維持很寬的動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號經(jīng)放大器的輸出功率恒定。

　　針對CR應用，寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動態(tài)范圍內(nèi)檢測弱信號。為此，需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A/D轉換器，并且要求超過12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過陷波濾波器濾出強信號，降低信號的動態(tài)范圍；或采用智能天線技術，通過空域濾波來實現(xiàn)強信號濾出。

　　2.2 頻譜感知技術

　　頻譜感知技術是CR應用的基礎和前提?，F(xiàn)有的頻譜感知技術可以按照圖4進行分類。單節(jié)點感知是指單個CR節(jié)點根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進行頻譜特性標識；而協(xié)同感知則是通過數(shù)據(jù)融合，基于多個節(jié)點的感知結果將進行綜合判決。

　　單節(jié)點感知技術包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種，其比較如表1所示。由于這些方法各有優(yōu)缺點，實際應用時通常結合使用。

　　檢測算法適用范圍優(yōu)點缺點匹配濾波CR節(jié)點知道授權用戶信號的信息檢測時間短需要先

　　為此，人們提出協(xié)同頻譜感知，通過檢測節(jié)點間的協(xié)作達到系統(tǒng)要求的檢測門限，從而降低對單個檢測節(jié)點的要求，降低單個節(jié)點的負擔。協(xié)同頻譜感知的另一個優(yōu)點是可以有效的消除陰影效應的影響。協(xié)同感知可以采用集中或者分布式的方式進行。集中式協(xié)同感知是指各個感知節(jié)點將本地感知結果送到基站（BS）或接入點（AP）統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)融合，做出決策；分布式協(xié)同感知則是指個節(jié)點間相互交換感知信息，各個節(jié)點獨自決策。影響協(xié)同頻譜感知的關鍵因素除了參與協(xié)同的單節(jié)點的感知性能外，還包括網(wǎng)絡拓撲結構和數(shù)據(jù)融合方法；另外，在協(xié)同頻譜感知中，不同感知節(jié)點的相關性和單個節(jié)點的不可靠性也會對頻譜感知的性能產(chǎn)生重要影響。

　　隨著FCC引入干擾溫度模型來測量干擾，也有人提出通過測量干擾溫度進行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節(jié)點知道授權用戶的位置，目前尚面臨很多問題。

　　2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術

　　數(shù)據(jù)傳輸技術對于CR實現(xiàn)利用空閑頻譜進行通信，從而整體上提高頻譜利用率的主要目標非常關鍵。由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍，并且不連續(xù)，因此CR數(shù)據(jù)傳輸技術必需能夠適應可用頻譜的這一特性。

　　目前，實現(xiàn)頻譜自適應CR數(shù)據(jù)傳輸有2個基本途徑：采用多載波技術或采用基帶信號發(fā)射波形設計。

　　在多載波傳輸技術中，正交頻分復用(OFDM)是最佳候選技術。如圖5所示，其基本思想是將可用整個頻帶劃分成OFDM子載波，只利用沒有被授權用戶占用的子載波傳輸數(shù)據(jù)，構成所謂的非連續(xù)OFDM(NC-OFDM)。子載波的分配則通過頻譜感知和判決的結果，以分配矢量的方式實現(xiàn)。例如，在進行OFDM調(diào)制時，可以將已被授權用戶占用的子載波置零，從而避免對授權用戶產(chǎn)生干擾。同時，考慮到頻譜滲漏的問題，還有必要留出足夠的保護子載波。同時，由于很多子載波并沒有使用，可以通過一些快速傅立葉變換(FFT)修剪算法降低系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度。

　　OFDM技術的重要優(yōu)點是實現(xiàn)靈活，但也面臨同步、信道估計以及高峰平比的問題。為此，也可以通過在時、頻或者碼域設計特殊的發(fā)射波形，生成滿足特定頻譜形狀的發(fā)射信號。例如，在頻域合成波形的變換域通信系統(tǒng)(TDCS)、設計特殊擴頻碼片的擾測量法/碼分多址(CI/CDMA)技術、以及跳碼 /碼分多址(CH/CDMA)技術等。雖然這些技術不如OFDM實現(xiàn)靈活，但在初始接入、收發(fā)雙方不知道對方可用頻譜特性時仍然有用。

    　3 認知無線電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　當前，認知無線電技術已經(jīng)得到了學術界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。很多著名學者和研究機構都投入到認知無線電相關技術的研究中，啟動了很多針對認知無線電的重要研究項目。例如：德國Karlsruhe大學的F. K. Jondral教授等提出的頻譜池系統(tǒng)、美國加州大學Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究組開發(fā)的COVUS系統(tǒng)、美國Georgia理工學院寬帶和無線網(wǎng)絡實驗室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項目、美國軍方DARPA的XG項目、歐盟的E2R項目等。在這些項目的推動下，在基本理論、頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡架構和協(xié)議、與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的融合以及原型開發(fā)等領域取得了一些成果。IEEE為此專門組織了兩個重要的國際年會IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流這方面的成果，許多重要的國際學術期刊也通過將刊發(fā)關于認知無線電的專輯。目前，最引人關注的是IEEE 802.22工作組的工作，該工作組正在制定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。

　　結合上述認知無線電技術的現(xiàn)狀，預計認知無線電未來會沿著以下幾個方面發(fā)展：

　　基本理論和相關應用的研究，為大規(guī)模應用奠定堅實的基礎。比較重要的包括：認知無線電的信息論基礎和認知無線電網(wǎng)絡相關技術，例如：頻譜資源的管理、跨層聯(lián)合優(yōu)化等等。

　　試驗驗證系統(tǒng)開發(fā)。目前，已經(jīng)有多個試驗驗證系統(tǒng)正在開發(fā)中，這些系統(tǒng)的開發(fā)成功，將為驗證認知無線電的基本理論、關鍵技術提供測試床，推動其大規(guī)模應用。

　　與現(xiàn)有系統(tǒng)的融合。雖然目前認為認知無線電的應用應該不要求授權用戶作任何改變，但如果授權用戶和認知無線電用戶協(xié)同工作，將會便于實現(xiàn)并提高效率。目前，已經(jīng)有一些研究工作在考慮將認知無線電集成到現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的方法，并取得了一些初步成果。預計未

　　4 結束語

　　認知無線電的提出，為從根本上解決日益增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源之間的矛盾開辟了一條行之有效的解決途徑，是未來無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，正逐漸通過標準化進入產(chǎn)業(yè)領域。然而，認知無線電技術從概念到應用尚面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是許多關鍵技術需要突破，這也使其成為了近年來無線通信研究的熱點。