認(rèn)知無線電的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

1、認(rèn)知無線電的開展歷程與現(xiàn)狀摘要 ：認(rèn)知無線電是一種通過與其運(yùn)行環(huán)境交互而改變其發(fā)射參數(shù)從而提高頻譜 利用率的新的智能技術(shù)，其核心思想是 CR具有學(xué)習(xí)能力，能與周圍環(huán)境交互信 息，以感知和利用在該空間的可用頻譜， 并限制和降低沖突的發(fā)生， 認(rèn)知無線電 就是通過頻譜感知Spectrum Sen si ng丨和系統(tǒng)的智能學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜 分配DSA dyn amic spectrum allocatio n 和頻譜共享Spectrum Shari ng。 本文主要分析認(rèn)知無線電的起源， 認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)概要， 認(rèn)知無線電的相 關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程以及認(rèn)知無線電的應(yīng)用場景等多個方面， 對認(rèn)知無線電進(jìn)

2、行一個概 述，從而加深對無線電的認(rèn)知與了解。 關(guān)鍵字：認(rèn)知無線電、起源、關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用隨著無線通信需求的不斷增長，對無線通信技術(shù)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求 越來越高。根據(jù)香農(nóng)信息理論， 這些通信系統(tǒng)對無線頻譜資源的需求也相應(yīng)增長， 從而導(dǎo)致適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張， 成為制約無線通信開展的新 瓶頸。另一方面， 已經(jīng)分配給現(xiàn)有很多無線系統(tǒng)的頻譜資源卻在時間和空間上存 在不同程度的閑置。 為解決無線頻譜資源緊張的問題， 出現(xiàn)了許多先進(jìn)的無線通 信理論與技術(shù)， 如鏈路自適應(yīng)技術(shù)、 多天線技術(shù)等。 這些技術(shù)雖然能提高頻譜效 率，但仍受限于Shannon理論。美國聯(lián)邦通信委員會的大量研

3、究說明： ISM 頻段以及適用于陸地移動通信的 2GHz 左右授權(quán)頻段過于擁擠，而有些授權(quán)頻段卻經(jīng)?？臻e。因而提出了認(rèn)知無 線電。認(rèn)知無線電是一種智能頻譜共享技術(shù)。 它通過感知頻譜環(huán)境、 智能學(xué)習(xí)并 實(shí)時調(diào)整其傳輸參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)頻譜的再利用， 進(jìn)而顯著地提高頻譜的利用率， 通過 從時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。1. 認(rèn)知無線電的開展歷程認(rèn)知無線電的概念是由 Joseph Mitola 博士在 1999年提出的， 他認(rèn)為認(rèn)知無 線電可以使SDR從預(yù)置程序的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電領(lǐng)域的智能代理，并在論文中描述了認(rèn)知無線電如何通過無線電知識表示語言RKRL來提高個人無線

4、業(yè)務(wù)的靈活性。2004年Rieser支出認(rèn)知無線電不一定必須有 SDR的支撐，他提出 基于遺傳算法的生物啟發(fā)認(rèn)知模型更適用于可快速部署的災(zāi)難通信系統(tǒng)。 該認(rèn)知 模型可對無線電系統(tǒng)的物理層和 MAC!煩人演進(jìn)建模，主要由三局部組成，包括 用于監(jiān)聽無線環(huán)境，進(jìn)行信道建模的無線信道遺傳算法WCGX演進(jìn)并自適應(yīng)無線環(huán)境的無線通信遺傳算法WSG和根據(jù)無線電信道模型和無線電參數(shù)， 監(jiān) 視并改變系統(tǒng)的狀態(tài)，以決定如何適應(yīng)無線電的認(rèn)知監(jiān)視系統(tǒng)CSM。2003年5月，F(xiàn)CC召開了無線電研討會，討論了利用認(rèn)知無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈 活頻譜利用的相關(guān)技術(shù)問題。 并且對從頻譜管理的角度出發(fā)對認(rèn)知無線網(wǎng)進(jìn)行了 官方定義， 認(rèn)

5、為認(rèn)知無線電是指能夠通過與工作環(huán)境的交互， 改變發(fā)射參數(shù)的無 線電設(shè)備。針對頻譜利用率低的現(xiàn)狀，F(xiàn)CC提出采用認(rèn)知無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)“開放 頻譜系統(tǒng)，對于合法的授權(quán)用戶具有高的優(yōu)先權(quán)接入頻譜，而具有認(rèn)知無線電 功能的非授權(quán)用戶，可在對授權(quán)用戶不造成干擾的情況下時機(jī)接入可用頻譜。認(rèn)知無線電的標(biāo)準(zhǔn)化 IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.22工作組，這是 世界范圍內(nèi)的基于認(rèn)知無線電技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織。為了進(jìn)一步研究認(rèn)知無線電，IEEE于2005年成立了 IEEE1900標(biāo)準(zhǔn)組，進(jìn)行與下一代無線通信技術(shù) 和高級頻譜管理技術(shù)相關(guān)的電磁兼容進(jìn)行研究。2. 認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)概要2.1認(rèn)知

6、無線電特點(diǎn)對環(huán)境的感知能力：此特點(diǎn)是CR技術(shù)成立的前提，只有在環(huán)境感知和檢測的 根底上，才能使用頻譜資源。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測一定范圍的頻段， 檢測 頻譜空洞。對環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)性：此特點(diǎn)表達(dá)CR技術(shù)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(zhì)量的高可靠性：要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)任何時間任何地點(diǎn)的高度可靠通信， 能夠準(zhǔn)確地判定主用戶信號出現(xiàn)的時間、地點(diǎn)、頻段等信息，及時調(diào)整自身參數(shù)， 提高通信質(zhì)量。系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性：CR設(shè)備可根據(jù)頻譜環(huán)境動態(tài)編程，也可通過硬件 設(shè)計(jì)，支持不同的收發(fā)技術(shù)?？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

7、等。2.2認(rèn)知無線電原理認(rèn)知無線電原理如圖1所示，由圖可看出,CR設(shè)備對周圍環(huán)境感知、探測、分 析，這種探測和感知是全方位的，應(yīng)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(shè)備，應(yīng)包含一個智能收發(fā)器。有了足夠的人工智能， 它就能吸取過去的經(jīng)驗(yàn)對實(shí)際情況進(jìn)行響應(yīng)，過去的經(jīng)驗(yàn)包括對死區(qū)、干擾和使 用模式等的了解。它的學(xué)習(xí)能力是使它從概念走向應(yīng)用的真正原因。圖1 ：認(rèn)知無線電原理圖當(dāng)CR用戶發(fā)現(xiàn)頻譜空洞，使用已授權(quán)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(quán)用戶的通信，一旦該頻段被主用戶使用， CR有兩種應(yīng)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，改

8、變發(fā)射頻率或調(diào) 制方案，防止對主用戶的干擾。認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)1頻譜檢測技術(shù)頻譜檢測是在復(fù)雜的環(huán)境中監(jiān)測出 CR可以使用的頻譜空隙，以下圖2是實(shí)際 中的操作圖：圖2:實(shí)際中的頻譜檢測圖上圖中，左邊局部是對所處環(huán)境的處理，掌握環(huán)境的各種信息是正確判決頻譜信 息的前提，如何從復(fù)雜環(huán)境中提取有用的信息，需要科研人員綜合各種技術(shù)。對環(huán)境的處理主要考慮CR設(shè)備的無縫接入、平安性、隱私性、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)能力、 跟蹤能力、數(shù)據(jù)動態(tài)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(tài)環(huán)境中 CR的精確性，實(shí)現(xiàn)它主要有兩種方法：基于波形 的方法和基于環(huán)境感知的方法。前一種在定位系統(tǒng)和波形轉(zhuǎn)換器中裝有標(biāo)準(zhǔn)波形

9、， 需要的時候隨時調(diào)用。歐洲的SPAC工程利用了此方法，該模型由定位系統(tǒng)、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(huán)境的參數(shù)，據(jù)此選 擇正確的算法。在未知環(huán)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(shè)備的定位參數(shù)和在信道環(huán)境中設(shè)備的損失參數(shù)，經(jīng)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(fù)雜度低，CR被認(rèn)為應(yīng)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(huán)平衡特 定檢測法等。匹配濾波器法：假設(shè)CR用戶已預(yù)先得知主用戶信號的各種信息， 在加性高斯 噪聲信道中，此法能得到最正確的效果，它能使接收信號的信噪比最大化。 它的

10、 缺點(diǎn)是CR需要主用戶的信息，適用于對主用戶信息比擬了解的頻譜環(huán)境中，女口 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(huán)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(yōu)點(diǎn)是操作簡單，缺點(diǎn)是干擾溫度限較難設(shè)定，它的門限值需視 具體的環(huán)境而定。循環(huán)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(diào)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(diǎn)進(jìn)行檢測的， 比擬 適合于噪聲環(huán)境中。它的缺點(diǎn)是算法復(fù)雜計(jì)算量大，檢測時間相對長一些。2認(rèn)知無線電中的頻譜管理現(xiàn)階段，有人把頻譜劃分為三個

11、等級：第一等級：嚴(yán)格管理、不可干擾；第二 等級：在一定程度上可被非授權(quán)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(dá)成共識。好的管理思想應(yīng)能表達(dá)CR的優(yōu)勢，提高頻譜利用率，以適應(yīng)現(xiàn)代社會的需要。 當(dāng)前， 一些標(biāo)準(zhǔn)化組織先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以 推動該技術(shù)在多種應(yīng)用場景下的開展。目前各種基于CR的頻譜管理思想和管理規(guī)那么仍在研究之中。3) CR物理層技術(shù)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)。3. 認(rèn)知無線電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程 認(rèn)知無線電技術(shù)被視為解決當(dāng)前頻譜資源利用率低的有效方案。各標(biāo)準(zhǔn)化組織和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開對認(rèn)知無線電技術(shù)的研究， 并著

12、手制定認(rèn)知無線電的標(biāo)準(zhǔn) 和協(xié)議，以其推動認(rèn)知無線電技術(shù)的開展和應(yīng)用。 涉及認(rèn)知無線電標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)構(gòu) 主要有美國電氣電子工程師協(xié)會IEEE、國際電信聯(lián)盟ITU、軟件無線電論 壇SDRForum和美國國防部高級研究方案署DARPA等。或者稱為P1900。其中，IEEE802.22是采用認(rèn)知無線電技術(shù)為根底的空中 接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEESCC41的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要涉及動態(tài)頻譜接入的相關(guān)技術(shù)。另外， 我們認(rèn)為， 共存問題、 動態(tài)頻譜選擇和功率控制、 動態(tài)頻譜接入等技術(shù)都屬于認(rèn) 知無線電的范疇。因此，除上述兩個標(biāo)準(zhǔn)之外，IEEE還有其他幾個標(biāo)準(zhǔn)也涉及認(rèn) 知無線電，女口 IEEE802.11h、IEEE802.1

13、5 和 IEEE802.16h 等。已經(jīng)完成的標(biāo)準(zhǔn)化有：1 IEEE802.16.2-2001 ，2 IEEE802.16a-2003， 3 ，4 ，5 ， 6 IEEE802.11h-2003。4. 認(rèn)知無線電開展現(xiàn)狀與趨勢當(dāng)前，認(rèn)知無線電技術(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)知無線電相關(guān)技術(shù)的研究中， 啟動了很多針對認(rèn)知無線 電的重要研究工程。 例如：德國 Karlsruhe 大學(xué)的 F.K.Jondral 教授等提出的頻 譜池系統(tǒng)、美國加州大學(xué) Berkeley 分校的 R.W.Brodersen 教授的研究組開發(fā)的COVU系統(tǒng)、美國Georgia理

14、工學(xué)院寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室Ian F. Akyildiz 教 授等人提出OCRA工程、美國軍方DARPA勺XG工程、歐盟的E2R工程等。在這些 工程的推動下，在根本理論、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 線通信系統(tǒng)的融合以及原型開發(fā)等領(lǐng)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 Crown Com和IEEE DySPAF交流這方面的成果，許多 重要的國際學(xué)術(shù)期刊也通過將刊發(fā)關(guān)于認(rèn)知無線電的專輯。 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 線接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個引入認(rèn)知無線電概念的I

15、EEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化活動。認(rèn)知無線電的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，下面是幾個典型的應(yīng)用：4.1在 WRAI中的應(yīng)用WRAI的目的就是使用認(rèn)知無線電技術(shù)將分配給電視播送的VHF/UH瀕帶北美為54862MHZ的頻率用作寬帶訪問線路，將空閑頻道有效地利用起來。 IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)工作組于2005年9月完成了對 WRA的功能需求和信道模型文檔，2006年開始對各個公司提交的提案進(jìn)行審議和合并，并于2006年 3月形成了最終的合并提案作為編寫標(biāo)準(zhǔn)的根底。4.2在UWB的應(yīng)用UW技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時主要應(yīng)用于脈沖雷達(dá)ImpulseRadar， 美國軍方利用其進(jìn)行平安通信中的精確定位和成像。至 2

16、0 世紀(jì) 90 年代之前， UW吐要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，之后 UW技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域。UW由于具有傳 輸速率高、系統(tǒng)容量大、抵抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、本錢低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下 一代無線通信的革命性技術(shù)， 而且是未來多媒體寬帶無線通信中最具潛力的技術(shù)。 認(rèn)知無線電采用頻譜感知技術(shù)， 能夠感知周圍頻譜環(huán)境的特性， 通過動態(tài)頻譜感 知來探測“頻譜空洞 ，合理地、時機(jī)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(rèn)知無線電技術(shù)還支持根據(jù)感知結(jié)果動態(tài)地、 自適應(yīng)地 改變系統(tǒng)的傳輸參數(shù)， 以保證高優(yōu)先級的授權(quán)主用戶對頻段的優(yōu)先使用， 改善頻 譜共享，與其他系統(tǒng)更好地共存。4.3在WLAN中

17、的應(yīng)用以IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)為根底的無線技術(shù)已經(jīng)成為目前 WLAN技術(shù)的主流，通過 接入無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動辦公已經(jīng)成為很多人生活方式的一局部。 隨著無線局域網(wǎng) 的普及， 頻譜資源越來越緊張， 某些工作頻段的通信業(yè)務(wù)近乎到達(dá)飽和狀態(tài)， 無 法滿足新的業(yè)務(wù)請求； 同時，某些其他頻段比擬空閑， 能夠提供更多的可用信道。 在這樣的背景下， 認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)和開展為解決以上問題帶來了新的思路。 認(rèn)知無線電技術(shù)能通過不斷掃描頻譜段， 獲得這些可用信道的信道環(huán)境和質(zhì)量的 認(rèn)知信息，自適應(yīng)地接入較好的通信信道，這正是解決WLAN頻段擁擠問題的方法。因此認(rèn)知無線電技術(shù)對于 WLAN而言更具有吸引力。而且無

18、線局域網(wǎng)具有工 作區(qū)域小、 工作地點(diǎn)靈活、 無線環(huán)境相對簡單等特點(diǎn)， 更有利于認(rèn)知無線電技術(shù) 的實(shí)現(xiàn)。4.4 在 Ad-hoc 中的應(yīng)用一般的多跳 Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時會預(yù)先確定通信路由。 認(rèn)知無線電技 術(shù)能夠?qū)崟r地收集信息并且自動選擇波形，并向各方通知尚未使用的頻率信息， 適用于具有不可提前預(yù)測的頻譜使用模式的應(yīng)用場景。 因此，當(dāng)認(rèn)知無線電技術(shù) 應(yīng)用于低功耗多跳 Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足分布式認(rèn)知用戶之間的通信需求。 由于認(rèn)知無線電系統(tǒng)可根據(jù)周圍環(huán)境的變化動態(tài)地進(jìn)行頻率的選擇， 而頻率的改 變通常需要路由協(xié)議等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，因此，基于認(rèn)知無線電技術(shù)的 Ad-hoc 網(wǎng) 絡(luò)需要新的支持分布式頻率共享的 MAC協(xié)議和路由協(xié)議。結(jié)合上述認(rèn)知無線電技術(shù)的現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)認(rèn)知無線電未來會沿著以下幾個方面 開展：1根本理論和相關(guān)應(yīng)用的研究，為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的根底。比擬重要 的包括：認(rèn)知無線電的信息論根底和認(rèn)知無線電網(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。2試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)開發(fā)。目前，已經(jīng)有多個試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)正在開發(fā)中，這些系統(tǒng)的開發(fā)成功， 將為驗(yàn)證認(rèn)知無線電的根本理論、 關(guān)鍵技術(shù)提供測試床， 推動 其大規(guī)模應(yīng)用。3與現(xiàn)有