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认知无线电的发展历程与现状摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Shannon理论。美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。1. 认知无线电的发展历程认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在1999年提出的，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并在论文中描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2004年Rieser支出认知无线电不一定必须有SDR的支撑，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适用于可快速部署的灾难通信系统。该认知模型可对无线电系统的物理层和MAC层烦人演进建模，主要由三部分组成，包括用于监听无线环境，进行信道建模的无线信道遗传算法（WCGA）、演进并自适应无线环境的无线通信遗传算法（WSGA）和根据无线电信道模型和无线电参数，监视并改变系统的状态，以决定如何适应无线电的认知监视系统（CSM）。2003年5月，FCC召开了无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。并且对从频谱管理的角度出发对认知无线网进行了官方定义，认为认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射参数的无线电设备。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现“开放频谱系统”，对于合法的授权用户具有高的优先权接入频谱，而具有认知无线电功能的非授权用户，可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入可用频谱。认知无线电的标准化 IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.22工作组，这是世界范围内的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。为了进一步研究认知无线电，IEEE于2005年成立了IEEE1900标准组，进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容进行研究。2. 认知无线电的关键技术概要2.1 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。2.2 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。2.3 认知无线电的关键技术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。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。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。3)CR物理层技术CR物理层的关键技术包括：宽带射频前端技术、频谱感知技术和数据传输技术。3. 认知无线电的相关标准化进程 认知无线电技术被视为解决当前频谱资源利用率低的有效方案。各标准化组织和行业联盟纷纷展开对认知无线电技术的研究，并着手制定认知无线电的标准和协议，以其推动认知无线电技术的发展和应用。涉及认知无线电标准化的机构主要有美国电气电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛（SDRForum）和美国国防部高级研究计划署（DARPA）等。IEEE涉及认知无线电的标准最受关注的有两个：IEEE802.22和IEEESCC41（或者称为P1900）。其中，IEEE802.22是采用认知无线电技术为基础的空中接口标准，IEEESCC41的标准化工作主要涉及动态频谱接入的相关技术。另外，我们认为，共存问题、动态频谱选择和功率控制、动态频谱接入等技术都属于认知无线电的范畴。因此，除上述两个标准之外，IEEE还有其他几个标准也涉及认知无线电，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。已经完成的标准化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）IEEE802.11h-2003。4. 认知无线电发展现状与趋势当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如：德国Karlsruhe大学的F.K.Jondral教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R.W.Brodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom和IEEEDySPAN交流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的工作，该工作组正在制定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。认知无线电的应用范围也越来越广泛，下面是几个典型的应用：4.1在WRAN中的应用WRAN的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带（北美为54862MHz）的频率用作宽带访问线路，将空闲频道有效地利用起来。IEEE802.22标准工作组于2005年9月完成了对WRAN的功能需求和信道模型文档，2006年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并，并于2006年3月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础。4.2在UWB中的应用UWB技术产生于20世纪60年代，当时主要应用于脉冲雷达（ImpulseRadar），美国军方利用其进行安全通信中的精确定位和成像。至20世纪90年代之前，UWB主要应用于军事领域，之后UWB技术开始应用于民用领域。UWB由于具有传输速率高、系统容量大、抵抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，被认为是下一代无线通信的革命性技术，而且是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术。认知无线电采用频谱感知技术，能够感知周围频谱环境的特性，通过动态频谱感知来探测“频谱空洞”，合理地、机会性地利用临时可用的频段，潜在地提高频谱的利用率。与此同时，认知无线电技术还支持根据感知结果动态地、自适应地改变系统的传输参数，以保证高优先级的授权主用户对频段的优先使用，改善频谱共享，与其他系统更好地共存。4.3在WLAN中的应用以IEEE802.11标准为基础的无线技术已经成为目前WLAN技术的主流，通过接入无线网络实现移动办公已经成为很多人生活方式的一部分。随着无线局域网的普及，频谱资源越来越紧张，某些工作频段的通信业务近乎达到饱和状态，无法满足新的业务请求；同时，某些其他频段比较空闲，能够提供更多的可用信道。在这样的背景下，认知无线电技术的出现和发展为解决以上问题带来了新的思路。认知无线电技术能通过不断扫描频谱段，获得这些可用信道的信道环境和质量的认知信息，自适应地接入较好的通信信道，这正是解决WLAN频段拥挤问题的方法。因此认知无线电技术对于WLAN而言更具有吸引力。而且无线局域网具有工作区域小、工作地点灵活、无线环境相对简单等特点，更有利于认知无线电技术的实现。4.4在Ad-hoc中的应用一般的多跳Ad-hoc网络在发送数据包时会预先确定通信路由。认知无线电技术能够实时地收集信息并且自动选择波形，并向各方通知尚未使用的频率信息，适用于具有不可提前预测的频谱使用模式的应用场景。因此，当认知无线电技术应用于低功耗多跳Ad-hoc网络，能够满足分布式认知用户之间的通信需求。由于认知无线电系统可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择，而频率的改变通常需要路由协议等进行相应调整，因此，基于认知无线电技术的Ad-hoc网络需要新的支持分布式频率共享的MAC协议和路由协议。结合上述认知无线电技术的现状，预计认知无线电未来会沿着以下几个方面发展：1）基本理论和相关应用的研究，为大规模应用奠定坚实的基础。比较重要的包括：认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术，例如：频谱资源的管理、跨层联合优化等等。2）试验验证系统开发。目前，已经有多个试验验证系统正在开发中，这些系统的开发成功，将为验证认知无线电的基本理论、关键技术提供测试床，推动其大规模应用。3）与现有系统的融合。虽然目前认为认知无线电的应用应该不要求授权用户作任何改变，但如果授权用户和认知无线电用户协同工作，将会便于实现并提高效率。目前，已经有一些研究工作在考虑将认知无线电集成到现有无线通信系统的方法，并取得了一些初步成果。预计未来这方面将会有大量的需求。5.结束语认知无线电的提出，为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾开辟了一条行之有效的解决途径，是未来无线通信产业的发展方向，正逐渐通过标准化进入产业领域。然而，认知无线电技术从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术需要突破，这也使其成为了近年来无线通信研究的热点。