認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電：原理、技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

　　摘要：認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電是指具有自主尋找和使用空閑頻譜資源能力的智能無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的提出，為解決不斷增長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用需求與日益緊張的無(wú)線(xiàn)頻譜資源之間的矛盾提供了一種有效的解決途徑。當(dāng)前，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)從理論到實(shí)踐都面臨很多困難。文章簡(jiǎn)述了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的基本原理，對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電涉及的射頻、頻譜感知和數(shù)據(jù)傳輸?shù)任锢韺雍诵年P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析，并結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

　　隨著無(wú)線(xiàn)通信需求的不斷增長(zhǎng)，對(duì)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高。根據(jù)香農(nóng)信息理論，這些通信系統(tǒng)對(duì)無(wú)線(xiàn)頻譜資源的需求也相應(yīng)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致適用于無(wú)線(xiàn)通信的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的新瓶頸。另一方面，已經(jīng)分配給現(xiàn)有很多無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的頻譜資源卻在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置。因此，人們提出采用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電(CR)技術(shù)，通過(guò)從時(shí)間和空間上充分利用那些空閑的頻譜資源，從而有效解決上述難題。

　　這一思想在2003年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的《關(guān)于修改頻譜分配規(guī)則的征求意見(jiàn)通知》中得到了充分體現(xiàn)，該通知明確提出
采用CR技術(shù)作為提高頻譜利用率的技術(shù)手段。此后，CR技術(shù)受到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，成為了無(wú)線(xiàn)通信研究和市場(chǎng)發(fā)展的新熱點(diǎn)。然而，CR技術(shù)從理論到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，還面臨很多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括了技術(shù)、政策和市場(chǎng)等諸多方面。本文從技術(shù)的角度，總結(jié)分析CR的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)將來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電基本原理

　　1.1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的概念與特征

　　自1999年“軟件無(wú)線(xiàn)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(lái)，不同的機(jī)構(gòu)和學(xué)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(xué)者Simon Haykin教授的定義。FCC認(rèn)為：“CR是能夠基于對(duì)其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線(xiàn)電”[4]。Simon Haykin則從信號(hào)處理的角度出發(fā)，認(rèn)為：“CR是一個(gè)智能無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)時(shí)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(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化，以達(dá)到以下目的：任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信；對(duì)頻譜資源的有效利用。”

　　總結(jié)上述定義，CR應(yīng)該具備以下2個(gè)主要特征：

　　(1) 認(rèn)知能力

　　認(rèn)知能力使CR能夠從其工作的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中捕獲或者感知信息，從而可以標(biāo)識(shí)特定時(shí)間和空間的未使用頻譜資源(也稱(chēng)為頻譜空洞)，并選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。這一任務(wù)通常采用圖1所示的認(rèn)知環(huán)進(jìn)行表示，包括3個(gè)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(cè)可用頻段，檢測(cè)頻譜空洞；頻譜分析估計(jì)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(hù)需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

　　(2) 重構(gòu)能力

　　重構(gòu)能力使得CR設(shè)備可以根據(jù)無(wú)線(xiàn)環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，從而允許CR設(shè)備采用不同的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)?？梢灾貥?gòu)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(gòu)的核心思想是在不對(duì)頻譜授權(quán)用戶(hù)(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。一旦該頻段被LU使用，CR有2種應(yīng)對(duì)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(duì)LU的有害干擾。

　　1.2 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電與軟件無(wú)線(xiàn)電之間的關(guān)系

　　為了便于理解CR的基本原理，有必要將CR與軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的定義，一個(gè)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備可以稱(chēng)為SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號(hào)處理通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)處理軟件完成；這些軟件可以在出廠(chǎng)后修改[5-11]。

　　因此，SDR關(guān)注的是無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方式；而CR是指無(wú)線(xiàn)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(gè)意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號(hào)處理，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層功能。

　　2 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電物理層關(guān)鍵技術(shù)

　　通用的CR收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)合前文關(guān)于CR基本原理的討論，可以發(fā)現(xiàn)，CR物理層的關(guān)鍵技術(shù)包括：寬帶射頻前端技術(shù)、頻譜感知技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

    2.1 寬帶射頻前端技術(shù)

　　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(jié)構(gòu)如圖3所示，接收的信號(hào)通過(guò)放大、混頻和A/D轉(zhuǎn)換等步驟后送入基帶處理，進(jìn)行頻譜感知或數(shù)據(jù)檢測(cè)。其中，射頻濾波器通過(guò)通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號(hào)；低噪放大器(LNA) 在放大所需信號(hào)的同時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)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(dòng)增益控制(AGC)維持很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號(hào)經(jīng)放大器的輸出功率恒定。

　　針對(duì)CR應(yīng)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(dòng)態(tài)范圍內(nèi)檢測(cè)弱信號(hào)。為此，需要采樣速率高達(dá)幾吉赫茲的高速A/D轉(zhuǎn)換器，并且要求超過(guò)12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過(guò)陷波濾波器濾出強(qiáng)信號(hào)，降低信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍；或采用智能天線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)空域?yàn)V波來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)濾出。

　　2.2 頻譜感知技術(shù)

　　頻譜感知技術(shù)是CR應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提?，F(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)可以按照?qǐng)D4進(jìn)行分類(lèi)。單節(jié)點(diǎn)感知是指單個(gè)CR節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的無(wú)線(xiàn)射頻環(huán)境進(jìn)行頻譜特性標(biāo)識(shí)；而協(xié)同感知?jiǎng)t是通過(guò)數(shù)據(jù)融合，基于多個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知結(jié)果將進(jìn)行綜合判決。

　　單節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)包括匹配濾波、能量檢測(cè)和周期特性檢測(cè)3種，其比較如表1所示。由于這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常結(jié)合使用。

　　檢測(cè)算法適用范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)匹配濾波CR節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶(hù)信號(hào)的信息檢測(cè)時(shí)間短需要先
驗(yàn)信息能量檢測(cè)CR節(jié)點(diǎn)不知道授權(quán)用戶(hù)的信號(hào)信息實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要先驗(yàn)信息受噪聲不確定性影響，不能區(qū)別信號(hào)類(lèi)型，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)周期特性檢測(cè)CR用戶(hù)信號(hào)具有周期自相關(guān)特性可以區(qū)別噪聲和信號(hào)類(lèi)型計(jì)算復(fù)雜度高認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電要求頻譜感知能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出信噪比(SNR)大于某一門(mén)限值的授權(quán)用戶(hù)信號(hào)，通常這個(gè)SNR的門(mén)限值是很低的，對(duì)于單節(jié)點(diǎn)感知來(lái)說(shuō)，要達(dá)到這個(gè)要求并不容易。

　　為此，人們提出協(xié)同頻譜感知，通過(guò)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作達(dá)到系統(tǒng)要求的檢測(cè)門(mén)限，從而降低對(duì)單個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的要求，降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。協(xié)同頻譜感知的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以有效的消除陰影效應(yīng)的影響。協(xié)同感知可以采用集中或者分布式的方式進(jìn)行。集中式協(xié)同感知是指各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)將本地感知結(jié)果送到基站（BS）或接入點(diǎn)（AP）統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，做出決策；分布式協(xié)同感知?jiǎng)t是指?jìng)€(gè)節(jié)點(diǎn)間相互交換感知信息，各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)自決策。影響協(xié)同頻譜感知的關(guān)鍵因素除了參與協(xié)同的單節(jié)點(diǎn)的感知性能外，還包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(diǎn)的相關(guān)性和單個(gè)節(jié)點(diǎn)的不可靠性也會(huì)對(duì)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(lái)測(cè)量干擾，也有人提出通過(guò)測(cè)量干擾溫度進(jìn)行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶(hù)的位置，目前尚面臨很多問(wèn)題。

　　2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

　　數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)于CR實(shí)現(xiàn)利用空閑頻譜進(jìn)行通信，從而整體上提高頻譜利用率的主要目標(biāo)非常關(guān)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(shù)必需能夠適應(yīng)可用頻譜的這一特性。

　　目前，實(shí)現(xiàn)頻譜自適應(yīng)CR數(shù)據(jù)傳輸有2個(gè)基本途徑：采用多載波技術(shù)或采用基帶信號(hào)發(fā)射波形設(shè)計(jì)。

　　在多載波傳輸技術(shù)中，正交頻分復(fù)用(OFDM)是最佳候選技術(shù)。如圖5所示，其基本思想是將可用整個(gè)頻帶劃分成OFDM子載波，只利用沒(méi)有被授權(quán)用戶(hù)占用的子載波傳輸數(shù)據(jù)，構(gòu)成所謂的非連續(xù)OFDM(NC-OFDM)。子載波的分配則通過(guò)頻譜感知和判決的結(jié)果，以分配矢量的方式實(shí)現(xiàn)。例如，在進(jìn)行OFDM調(diào)制時(shí)，可以將已被授權(quán)用戶(hù)占用的子載波置零，從而避免對(duì)授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生干擾。同時(shí)，考慮到頻譜滲漏的問(wèn)題，還有必要留出足夠的保護(hù)子載波。同時(shí)，由于很多子載波并沒(méi)有使用，可以通過(guò)一些快速傅立葉變換(FFT)修剪算法降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

　　OFDM技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)靈活，但也面臨同步、信道估計(jì)以及高峰平比的問(wèn)題。為此，也可以通過(guò)在時(shí)、頻或者碼域設(shè)計(jì)特殊的發(fā)射波形，生成滿(mǎn)足特定頻譜形狀的發(fā)射信號(hào)。例如，在頻域合成波形的變換域通信系統(tǒng)(TDCS)、設(shè)計(jì)特殊擴(kuò)頻碼片的擾測(cè)量法/碼分多址(CI/CDMA)技術(shù)、以及跳碼 /碼分多址(CH/CDMA)技術(shù)等。雖然這些技術(shù)不如OFDM實(shí)現(xiàn)靈活，但在初始接入、收發(fā)雙方不知道對(duì)方可用頻譜特性時(shí)仍然有用。

　  3 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　當(dāng)前，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。很多著名學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都投入到認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電相關(guān)技術(shù)的研究中，啟動(dòng)了很多針對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的重要研究項(xiàng)目。例如：德國(guó)Karlsruhe大學(xué)的F. K. Jondral教授等提出的頻譜池系統(tǒng)、美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究組開(kāi)發(fā)的COVUS系統(tǒng)、美國(guó)Georgia理工學(xué)院寬帶和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項(xiàng)目、美國(guó)軍方DARPA的XG項(xiàng)目、歐盟的E2R項(xiàng)目等。在這些項(xiàng)目的推動(dòng)下，在基本理論、頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議、與現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的融合以及原型開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域取得了一些成果。IEEE為此專(zhuān)門(mén)組織了兩個(gè)重要的國(guó)際年會(huì)IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流這方面的成果，許多重要的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊也通過(guò)將刊發(fā)關(guān)于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的專(zhuān)輯。目前，最引人關(guān)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(jìn)行寬帶無(wú)線(xiàn)接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個(gè)引入認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電概念的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。

　　結(jié)合上述認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電未來(lái)會(huì)沿著以下幾個(gè)方面發(fā)展：

　　基本理論和相關(guān)應(yīng)用的研究，為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。比較重要的包括：認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的信息論基礎(chǔ)和認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，例如：頻譜資源的管理、跨層聯(lián)合優(yōu)化等等。

　　試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。目前，已經(jīng)有多個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中，這些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功，將為驗(yàn)證認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)提供測(cè)試床，推動(dòng)其大規(guī)模應(yīng)用。

　　與現(xiàn)有系統(tǒng)的融合。雖然目前認(rèn)為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的應(yīng)用應(yīng)該不要求授權(quán)用戶(hù)作任何改變，但如果授權(quán)用戶(hù)和認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)協(xié)同工作，將會(huì)便于實(shí)現(xiàn)并提高效率。目前，已經(jīng)有一些研究工作在考慮將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電集成到現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的方法，并取得了一些初步成果。預(yù)計(jì)未
來(lái)這方面將會(huì)有大量的需求。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的提出，為從根本上解決日益增長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)通信需求與有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源之間的矛盾開(kāi)辟了一條行之有效的解決途徑，是未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，正逐漸通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。然而，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)從概念到應(yīng)用尚面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，這也使其成為了近年來(lái)無(wú)線(xiàn)通信研究的熱點(diǎn)。

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