喬和

認(rèn)知無線電技術(shù)的概念最初由JosephMitola博士于1999年在軟件無線電技術(shù)基礎(chǔ)上提出，主要強(qiáng)調(diào)通信系統(tǒng)的認(rèn)知能力。重新配置能力是指傳輸過程中在不改變硬件組件的情況下調(diào)整工作參數(shù)的能力。雖然認(rèn)知無線電技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但是其技術(shù)遠(yuǎn)不夠成熟，還有很多難題需要解決，作者認(rèn)為今后的研究工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面：一是由于認(rèn)知無線電是動態(tài)的利用頻譜，所以加強(qiáng)認(rèn)知無線電的靈活性十分必要，將多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)引入認(rèn)知無線電技術(shù)中，可以有效地提高認(rèn)知無線電頻譜利用的靈活性；二是認(rèn)知無線電技術(shù)的協(xié)議很不完善，需要設(shè)計專門的協(xié)議，比如說設(shè)計專門的路由協(xié)議用于流量控制和擁塞控制，特別是跨層協(xié)議的設(shè)計；三是認(rèn)知無線電技術(shù)需要強(qiáng)大的重配置能力，重配置能力是指在傳輸過程中無需修改硬件部分就能調(diào)節(jié)工作參數(shù)，這種能力使得認(rèn)知無線電可以很容易地適應(yīng)動態(tài)的無線環(huán)境，但是目前的硬件技術(shù)還滿足不了這種需求。結(jié)合感知模塊和策略數(shù)據(jù)模塊的信息，系統(tǒng)對頻譜的可用性進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理。

1 認(rèn)知無線電

認(rèn)知無線電的主要工作包括無線頻譜分析、信道識別、發(fā)射功率控制和動態(tài)頻譜資源管理。通常前兩項任務(wù)由接收機(jī)完成，最后的任務(wù)由發(fā)射機(jī)完成，這三個任務(wù)就形成了一個認(rèn)知過程。圖1是認(rèn)知無線電的基本構(gòu)成形式和組成部分。這幾個部分有機(jī)結(jié)合，形成一個完整的認(rèn)知周期，即根據(jù)RF探測、分析，快速信道估計，動態(tài)分配空閑信道，以及信道狀態(tài)選擇合適的調(diào)制方式、傳輸速率、發(fā)射頻率等。這種學(xué)習(xí)和推理的過程可以利用模糊邏輯或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法實現(xiàn)。最終的決策則依據(jù)上述三個模塊的輸出信息最終確定，并根據(jù)結(jié)果對無線電通信協(xié)議棧的不同層面進(jìn)行配置。

2 認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 頻譜偵聽

認(rèn)知無線電技術(shù)能實現(xiàn)實時偵聽頻譜，以便發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”。同時為了不對主用戶造成干擾，需快速檢測到主用戶的再次出現(xiàn)，以便為主用戶騰出頻率帶寬。這就需要認(rèn)知無線電具有頻譜偵聽功能，一般頻譜檢測可靠率要達(dá)到99.9%。由于認(rèn)知無線電技術(shù)的檢測能力本身具有一定限制，加之多徑衰落和陰影衰落的影響，弱信號較難檢測。為了能夠檢測出不同類型的主用戶信號和不同等級的接收功率，相比傳統(tǒng)的無線電技術(shù)，認(rèn)知無線電射頻前端的靈敏度、帶寬頻率捷變性能要求較高。目前公認(rèn)的一種理想方案是同時考慮增強(qiáng)射頻前端靈敏度、利用數(shù)字信號處理增益和用戶間的合作來提高檢測能力。

2.2 動態(tài)頻譜分配

截至目前，學(xué)術(shù)界已對動態(tài)頻譜分配技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作，提出了多種動態(tài)頻譜分配算法。由于認(rèn)知無線電系統(tǒng)中用戶對帶寬的需求、可用信道數(shù)量及用戶位置是時變的，已有的算法較難滿足要求。考慮到完全動態(tài)頻譜分配受到諸多政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的限制，目前采用認(rèn)知無線電的頻譜共享技術(shù)，主要是基于頻譜統(tǒng)籌策略。頻譜統(tǒng)籌的基本思想是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并為一個公共的頻譜池，將頻譜池劃分為若干子信道。未授權(quán)用戶可以臨時占用空閑信道。動態(tài)頻譜分配可以協(xié)調(diào)和管理主用戶與認(rèn)知用戶間的信道接入。文獻(xiàn)提出了兩種接入方案：具有控制信道的分配和無控制信道的分配，前者是只要有空閑的子信道，主用戶就選擇空閑信道而不中斷認(rèn)證用戶的通信；后者是主用戶只要有需要就占用原信道，而不考慮認(rèn)知用戶是否占用信道。這兩種方案在帶寬利用率和阻塞率方面差別不大，但無控制信道的分配方案的強(qiáng)制中斷率較高，這一問題可通過采用智能調(diào)度算法得以解決。動態(tài)頻譜分配也可用于協(xié)調(diào)多個認(rèn)知用戶間的頻譜選擇，以最大化頻譜利用率。動態(tài)頻譜分配可以有效地分析動態(tài)分布式資源分配問題，通常將反映實時認(rèn)知用戶交互過程的認(rèn)知周期映射為一個對策模型，針對經(jīng)典對策模型不包含學(xué)習(xí)過程的缺點(diǎn)，采用一些嵌入學(xué)習(xí)功能的改進(jìn)模型對分布式動態(tài)頻譜分配算法進(jìn)行分析。

2.3 功率控制

在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中采用分布式功率控制以擴(kuò)大系統(tǒng)的工作范圍，每個用戶的發(fā)射功率是對其他用戶造成干擾的主要原因，因此功率控制是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。博弈論和信息論是解決這一難題的主要技術(shù)。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功率控制可以看成一個博弈論問題，在博弈論中，分為合作對策和非合作對策。如果不考慮非合作對策，功率控制問題可以簡化為一個最優(yōu)控制問題。但完全的合作在多用戶系統(tǒng)中是不可能出現(xiàn)的，因為每個用戶都試圖將自己的功率最大化，所以功率控制應(yīng)為一個非合作對策。目前主流技術(shù)是用Markov對策進(jìn)行分析，Markov對策是將多步對策看作一個隨機(jī)過程，而認(rèn)知無線電系統(tǒng)的功率控制問題，則可以看作是用Markov對策進(jìn)行分析解決。

3 認(rèn)知無線電的應(yīng)用

3.1 在WRAN中的應(yīng)

IEEE802.22的核心技術(shù)就是CR技術(shù)。依據(jù)IEEE802.22功能需求標(biāo)準(zhǔn)，WRAN空中接口面臨的主要挑戰(zhàn)是靈活性和自適應(yīng)性。此外，相比別的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.22空中接口的共存問題也很關(guān)鍵，如偵聽門限、響應(yīng)時間等多種機(jī)制，還需要進(jìn)行大量的研究。

3.2 在UWB中的應(yīng)用

由于UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)之間存在著不可避免的干擾，將CR技術(shù)與UWB技術(shù)相結(jié)合以解決干擾問題，已成為近幾年研究的熱點(diǎn)，尤其是對UWB系統(tǒng)中基于CR的合作共存算法的研究較多。一個有效的方法是將CR機(jī)制嵌入到UWB系統(tǒng)中，如以跳時-脈沖位置調(diào)制為例，通過預(yù)先檢測到的干擾頻率，并相應(yīng)選擇合適的跳時序列，可將UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)間的干擾減至最小。

3.3 在WLAN中的應(yīng)用

具有認(rèn)知功能的無線局域網(wǎng)（WLAN）可通過接入點(diǎn)對頻譜的不間斷掃描，從而識別出可能的干擾信號，并結(jié)合對其他信道通信環(huán)境和質(zhì)量的認(rèn)知，自適應(yīng)地選擇最佳的通信信道。另外，具有認(rèn)知功能的接入點(diǎn)在不間斷進(jìn)行正常通信業(yè)務(wù)的同時，通過認(rèn)知模塊對其工作的頻段以及更寬的頻段進(jìn)行掃描分析，從而可盡快地發(fā)現(xiàn)非法惡意攻擊終端。這種技術(shù)應(yīng)用在其他類型的寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)中，也會進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和安全性。

3.4 在網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)中的應(yīng)用

認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)是近幾年出現(xiàn)的全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它具有無線多跳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過中繼的方式有效地擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。由于微波頻段受限于視距傳輸，基于認(rèn)知無線電技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)將有利于在微波頻段實現(xiàn)頻譜的開放接入。

3.5 在多入多出（MIMO）系統(tǒng)中的應(yīng)用

在無線通信許多新的研究熱點(diǎn)中，都有可應(yīng)用認(rèn)知無線電的場合。認(rèn)知MIMO技術(shù)可顯著提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率，這是認(rèn)知無線電技術(shù)的主要目標(biāo)，故將認(rèn)知無線電系統(tǒng)與MIMO技術(shù)結(jié)合，將能提供載波頻率和復(fù)用增益的雙重靈活性。值得關(guān)注的是，認(rèn)知無線電技術(shù)不但引起了學(xué)術(shù)界的相當(dāng)關(guān)注，工業(yè)界對如何將其應(yīng)用于實際通信系統(tǒng)也產(chǎn)生了濃厚的興趣。關(guān)于認(rèn)知無線電在未來多媒體移動通信中的應(yīng)用，在此不再贅述。

總之，認(rèn)知無線電技術(shù)是繼軟件無線電（SDR）之后無線通信技術(shù)的“下一件大事”，受到人們的極大關(guān)注。目前對于它的研究還處于初始階段，但在無線通信領(lǐng)域的發(fā)展前景十分誘人。感知模塊用于獲得多種外部激勵（無線頻譜，地理信息等），特別是針對無線頻譜環(huán)境進(jìn)行檢測。系統(tǒng)還包含一個策略數(shù)據(jù)庫模塊，用來決定頻譜的基本利用策略，定義在某個環(huán)境下認(rèn)知無線電系統(tǒng)的何種行為是可以接受的。這一策略數(shù)據(jù)庫模塊可以被重新配置以適應(yīng)新的政策的變化。