浅谈认知无线电

本文通过对认知无线电（CR）的概念、提出的背景、特点、原理的介绍，分析了它的若干关键技术，并说明了它的频谱管理思想、发展现状，最后提及了它与软件无线电（SDR）的关系。研究认为，现阶段应把CR和SDR技术联系起来，待各自技术相对成熟后，再将SDR技术融合到CR中，实现真正意义上的CR。
[关键词]  CR； 关键技术； 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
现代社会中，无线频谱已成为不可或缺的宝贵资源。美国联邦通信委员会（FCC）的大量研究表明，一些非授权频段如工业、科学和医用频段以及用于陆地移动通信的2GHz左右的频段过于拥挤，而有些频段却经常空闲。于是人们想到，若有一种系统,它能自动感知所处的频谱环境，发现频谱空洞(暂时没有被主用户使用的频段)并利用它，就能在很大程度上提高频谱利用率。基于这种思想，人们提出了认知无线电。

1  认知无线电概念
认知无线电(Cognitive Radio,CR) 的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作[1]。它可以通过学习、理解等方式，自适应的调整内部的通信机理、实时改变特定的无线操作参数（如功率、载波调制和编码等）等，来适应外部无线环境，自主寻找和使用空闲频谱。它能帮助用户选择最好的、最适合的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。

2  认知无线电特点
对环境的感知能力：此特点是CR技术成立的前提，只有在环境感知和检测的基础上，才能使用频谱资源。频谱感知的主要功能是监测一定范围的频段，检测频谱空洞。
对环境变化的学习能力、自适应性：此特点体现CR技术的智能性，在遇到主用户信号时，能尽快主动退避，在频谱空洞间自如的切换。
通信质量的高可靠性：要求系统能够实现任何时间任何地点的高度可靠通信，能够准确地判定主用户信号出现的时间、地点、频段[2]等信息，及时调整自身参数，提高通信质量。
系统功能模块的可重构性：CR设备可根据频谱环境动态编程，也可通过硬件设计，支持不同的收发技术。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。

3  认知无线电原理
认知无线电原理如图1所示,由图可看出,CR设备对周围环境感知、探测、分析，这种探测和感知是全方位的，应对地形、气象等综合信息也有所了解。由此图也可得出，CR是高智能设备，应包含一个智能收发器。有了足够的人工智能，它就能吸取过去的经验对实际情况进行响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。它的学习能力是使它从概念走向应用的真正原因。
 
图1：认知无线电原理图
当CR用户发现频谱空洞，使用已授权用户的频谱资源时[3]，必须保证它的通信不会影响到已授权用户的通信，一旦该频段被主用户使用，CR有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，改变发射频率或调制方案，避免对主用户的干扰。

4  认知无线电的关键技术
4．1  频谱检测技术
频谱检测是在复杂的环境中监测出CR可以使用的频谱空隙，下图2是实际中的操作图：
 
                图2:实际中的频谱检测图
上图中，左边部分是对所处环境的处理，掌握环境的各种信息是正确判决频谱信息的前提，如何从复杂环境中提取有用的信息，需要科研人员综合各种技术。
对环境的处理主要考虑CR设备的无缝接入、安全性、隐私性、数据学习能力、跟踪能力、数据动态管理、定位、感知等。下面主要介绍无缝接入。
无缝接入保证了动态环境中CR的精确性，实现它主要有两种方法：基于波形的方法和基于环境感知的方法。前一种在定位系统和波形转换器中装有标准波形，需要的时候随时调用。欧洲的SPACE项目利用了此方法，该模型由定位系统、波形器、算法选择器、传感器等组成。第二种方法是感知信道环境的参数，据此选择正确的算法。在未知环境中，基于RSS的定位分析算法已被广泛采用，此算法综合分析了CR设备的定位参数和在信道环境中设备的损失参数，经传感器输出信号保证无缝接入。后一种方法比前一种方法的复杂度低，CR被认为应具有两种方法。
目前频谱检测研究较多的方法有：匹配滤波器法、能量检测法、循环平衡特定检测法等。
匹配滤波器法：若CR用户已预先得知主用户信号的各种信息，在加性高斯噪声信道中，此法能得到最佳的效果，它能使接收信号的信噪比最大化。它的缺点是CR需要主用户的信息，适用于对主用户信息比较了解的频谱环境中，如大家已熟悉的超高频电视频段中。
能量检测法：能量检测法适用于不知道主用户信息的环境中，针对此方法，FCC提出了干扰温度限这一新的度量概念，干扰温度在它以下的信道就是适宜的频谱空穴。它的优点是操作简单，缺点是干扰温度限较难设定，它的门限值需视具体的环境而定[4]。
循环平衡特定检测法：在通信中，有用信号一般受人工周期信号的调制，有潜在的周期性，而噪声没有这个特性，此方法就是利用这个特点进行检测的，比较适合于噪声环境中。它的缺点是算法复杂计算量大，检测时间相对长一些。
4．2 认知无线电中的频谱管理
现阶段，有人把频谱划分为三个等级：第一等级：严格管理、不可干扰；第二等级：在一定程度上可被非授权用户干扰；第三等级：无限制的使用。目前CR的频谱管理思想仍没有达成共识。好的管理思想应能体现CR的优势，提高频谱利用率，以适应现代社会的需要。当前，一些标准化组织先后制定了一系列标准以推动该技术在多种应用场景下的发展。目前各种基于CR的频谱管理思想和管理规则仍在研究之中。

5  认知无线电发展现状
目前，CR主要处于初级阶段，各项理论和技术处于研究探索中，但它已得到了各界的关注，很多著名学者和机构都投入到它的研究中，启动了很多针对此的重要研究项目。最引人关注的是IEEE802.22工作组的工作，该工作组制订了利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。无线电知识描述语言(RKRL)也应运而生。近期CR的主要目标是提高频谱利用率，研究预计，频谱利用率将提高3%-10%不等[5]。它的长远目标是与各项技术更好的结合，满足日益增长的用户对频谱的要求。目前，认知无线电技术炙手可热，应用前景一片大好。有报道称具有认知功能的无线局域网产品将在近一两年内问世，但是要真正实现CR技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术问题。

6  认知无线电与软件无线电的关系
认知无线电技术是在软件无线电技术(SDR)的基础上发展起来的一种新的智能无线通信技术，它是SDR的扩展，它使SDR从预先定义协议的盲目执行者转变成无线电领域的智能代理。CR最基本的形式，是包含SDR的一种混合技术，其中SDR被应用于扩频通信，SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式；而CR是指无线系统能够感知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数[6]。从这个意义上讲，CR是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。本文认为，在现阶段，我们可以利用SDR和CR的各自优势，让SDR主要完成后台工作，比如信号处理和相应的算法，CR根据SDR的处理结果智能的选择频谱空洞，它们明确的分工合作，可以提高效率。当CR监测到频谱空洞后，将此频谱的相关信息发送到SDR端，比如主用户的信息：调制方式、时序、封装格式等， SDR做分析处理，在SDR端，快速的处理保证了CR的实时性。待技术成熟后，可以考虑综合利用各种技术，扩大CR功能，将SDR转移结合到CR中，实现系统的优化。

结 论
认知无线电技术的提出，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率提供了强有力的技术支撑。为频谱资源的充分利用提供了非常有力的支持[7]，它将成为下一波有冲击性的技术革新浪潮。现阶段人们正在研究探索实现CR的各项技术，本文认为，可以先将它与SDR结合，待技术成熟后，再扩大CR功能，做成优良的CR成品。