認知無線電

認知無線電(Cognitive Radio,CR)的學習能力是使它從概念走向實際應用的真正原因。有了足夠的人工智能，它就可能通過吸取過去的經驗來對實際的情況進行實時響應，過去的經驗包括對死區、干擾和使用模式等的瞭解。這樣，CR有可能賦予無線電設備根據頻帶可用性、位置和過去的經驗來自主確定採用哪個頻帶的功能。隨着許多CR相關研究的展開，對CR技術存在多種不同的認識。最典型的一類是圍繞Mitola博士提出的基於機器學習和模式推理的認知循環模型來展開研究，他們強調軟件定義無線電(Software Defined Radio，SDR)是CR實現的理想平台。

針對CR研究中存在的多種描述，美國聯邦通信委員會（FCC）提出了CR的一個相當簡化的版本。他們在FCC-03322中建議任何具有自適應頻譜意識的無線電都應該被稱為認知無線電CR。FCC更確切地把CR定義為基於與操作環境的交互能動態改變其發射機參數的無線電，其具有環境感知和傳輸參數自我修改的功能。CR是一種新型無線電，它能夠在寬頻帶上可靠地感知頻譜環境，探測合法的授權用户(主用户)的出現，能自適應地佔用即時可用的本地頻譜，同時在整個通信過程中不給主用户帶來有害干擾。無線電環境中的無線信道和干擾是隨時間變化的，這就暗示CR將具有較高的靈活性。CR的應用大多是基於FCC的觀點，因此也稱CR為頻譜捷變無線電、機會頻譜接入無線電等。

當前，在頻譜政策管理部門的帶動下，一些標準化組織採用了CR技術，並先後製定了一系列標準以推動該技術在多種應用場景下的發展。例如，IEEE802.22工作組對基於CR的無線區域網絡WLAN的空中接口標準正在制定中，目標是將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶的空閒頻道有效的利用起來；IEEE802.16工作組正在着手製定h版本標準，致力於改進如策略、MAC增強等機制以確保基於WiMAX的免授權系統之間、與授權系統之間的共存。此外，ITU也在努力尋找類似CR的頻譜共享技術。受CR的潛力及其在無線電領域公認的“下下一件大事情”的激勵，國內不少院校和學者也已經開始了這方面的研究，如西安電子科技大學已經開展的2005年度“863”有關CR技術的研究。

認知無線電又被稱為智能無線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特徵，通過感知外界環境，並使用人工智能技術從環境中學習，有目的地實時改變某些操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調製技術等)，使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計變化，從而實現任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構網絡環境有限的無線頻譜資源進行高效地利用。認知無線電的核心思想就是通過頻譜感知（Spectrum Sensing）和系統的智能學習能力，實現動態頻譜分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和頻譜共享（Spectrum Sharing）。

認知無線電中，次級用户動態的搜索頻譜空穴進行通信，這種技術稱為動態頻譜接入。在主用户佔用某個授權頻段時，次級用户必須從該頻段退出，去搜索其它空閒頻段完成自己的通信。

OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded), 是Wireless@Virginia Tech 貢獻給開源社區的對軟件定義無線電（SDR）尤其是對認知無線電的探索。它的主要目的是用於對軟件定義無線電和無線通信技術進行研發和教學。該軟件包包含基於JTRS 的軟件通信結構（SCA）的SDR 的核心構架、快速開發 SDR 部件和信號波形處理程序的工具、預製部件的庫及信號處理程序。而且還包括同Naval Postgraduate School 共同開發的用於實驗室練習用的一組免費的練習，用於SDR 的教學和培訓用。OSSIE 同GNU Radio 一樣都可使用通用軟件無線電平台（Universal Software Radio Peripheral - USRP）。 ^[1] 

隨着無線通信技術的飛速發展，人們可以獲得的帶寬不斷的增加。以移動通信為例，傳輸速率從最早的不足10kbit/s提高到第三代移動通信技術可以提供2Mbit/s的數據速率只用了不到10年的時間；但即使如此，仍然無法滿足人們對於帶寬的日益增長的需求。一方面，人們不斷開發新的無線通信技術，利用新的頻段來提供各種業務；另外一方面，各種改進的調製和編碼技術也使得現有頻譜的利用效率得以提高。然而，頻譜資源終究是有限的。將來會得到規模應用的MIMO和OFDM技術，在可以預見的情況下，能夠將頻譜的利用效率提高3～4倍，而對於人們對帶寬的幾十倍、上百倍的需求增長，這種提高顯然不能完全的滿足要求。頻譜資源作為一種極具價值的自然資源，其日趨緊張甚至枯竭已成為不爭的事實，而真正要解決這種矛盾，必須對頻譜管理方法進行改進。 ^[2] 

在單純通過現有的傳輸技術無法有效解決頻譜利用效率偏低的情況下，各種新的思路應運而生，其核心都是如何有效地實現頻譜的重用。該領域存在着以下兩個基本的研究方向。

一個研究方向是降低信號的功率譜密度來進行頻譜的複用，其典型應用就是超寬帶（UWB，UltraWideband）技術。FCC定義信號帶寬大於1.5GHz或者信號帶寬與中心頻率之比大於25%的稱為超寬帶。UWB技術通過採用頻譜重疊的方式佔用一段極寬的帶寬，並嚴格限制其信號的發射功率，儘可能地減少給現存系統帶來的有害干擾，從而實現與窄帶信號的共存和兼容，最終達到頻譜複用的目的。

另一個研究方向就是採用一種新的頻譜管理技術，以達到充分利用頻譜的目的。這種思路的基本出發點就是：在不影響授權頻段的正常通信的基礎上，具有一定感知能力的無線通信設備可以按照某種機會方式來接入授權的頻段內，並動態地利用其頻譜。由於頻譜資源利用率偏低，在空域、時域和頻域都會出現對於當前通信冗餘的、可以被利用的頻率資源，這些頻率資源被稱為頻譜空穴（SpectrumHoles），如圖1所示。認知無線電的基本思路就是基於如何有效地利用這些“頻譜空穴”。如果一種通信系統中能完成如下的功能：具備認知功能，以“機會方式”接入頻譜的次級用户（SecondaryUser）能夠通過對頻譜的感知和分析，智能地使用空閒頻譜並避免對擁有授權頻段的主用户（PrimaryUser）形成干擾；而主用户以最高的優先級使用被授權的頻段。當主用户要使用授權頻段時，次級用户需要及時停止使用頻譜，將信道讓給主用户，那麼當前頻譜效率低下的現狀將得以大大的改善。認知無線電就是基於這種思路誕生的。 ^[3] 

圖1“頻譜空穴”示意圖

1．約瑟夫·米托拉（Joseph Mitola）對認知無線電的定義

1999年，約瑟夫·米托拉（Joseph Mitola）在他的學術論文中首先提出了認知無線電的概念，並描述了認知無線電如何通過“無線電知識描述語言（RKRL，RadioKnowledgeRepresentationLanguage）”來提高個人無線業務的靈活性。隨後，約瑟夫·米托拉（Joseph Mitola）在他的博士論文中詳細探討了這一理論。他認為：認知無線電應該充分利用無線個人數字設備和相關的網絡在無線電資源和通信方面的智能計算能力來檢測用户通信需求，並根據這些需求提供最合適的無線電資源和無線業務。Mitola的認知無線電的定義是對軟件無線電的擴展。認知無線電以軟件無線電為平台，並使軟件無線電智能化。

2．FCC的認知無線電定義

約瑟夫·米托拉（Joseph Mitola）定義的認知無線電強調“學習”的能力，認知無線電系統需要考慮通信環境中的每一個可能參數，然後做出決定。相比於約瑟夫·米托拉（Joseph Mitola）的定義，FCC針對頻譜有效分配問題對認知無線電做出的定義更能為業界所接受。在2003年12月的一則通告中，FCC對認知無線電作出如下定義：認知無線電是能夠與所處的通信環境進行交互並根據交互結果改變自身傳輸參數的無線電。

FCC對認知無線電的這個定義主要是基於頻譜資源分配和管理問題提出的。無線頻譜資源的規劃和使用都是由政府制定的，無線通信設備對頻譜的使用需要經過政府的許可。而固定的頻譜分配政策導致了頻譜不能有效利用的問題。比如分配給蜂窩移動通信系統的頻帶經常超負荷，而共用頻帶沒有充分使用等。而且頻段的利用率在不同的時間和空間也有所不同。

3．其他的認知無線電定義

除了約瑟夫·米托拉（Joseph Mitola）和FCC外，還有很多學者對認知無線電進行了定義。

比如，SimonHaykin結合約瑟夫·米托拉（Joseph Mitola）和FCC的觀點，對認知無線電做出如下定義：認知無線電是一個智能無線通信系統，它能感知外界環境，並使用人工智能技術從環境中學習，通過實時改變傳輸功率、載波頻率和調製方式等系統參數，使系統適應外界環境的變化，從而達到很高的頻譜利用率和最佳通信性能。

認知無線電的物理平台的實現是以軟件無線電平台為基礎的，其物理平台結構與軟件無線電平台結構基本相同，兩者之間的比較如圖2所示，它主要在軟件無線電平台的基礎上增加了感知，學習等功能，以實現其獨特的認知能力。

其中，無論對於軟件無線電平台還是認知無線電平台，軟件部分的硬件支撐都是通用硬件平台。也就是説，從圖2可以看出，和軟件無線電類似，認知無線電物理平台也主要由射頻前端、數模模數轉換器以及通用硬件平台3個部分組成。

圖2 認知無線電與軟件無線電物理平台結構的比較

其中，為軟件提供硬件支撐的認知無線電通用硬件平台的組成和結構與軟件無線電系統的硬件平台基本類似，但除了常見通信系統所需的數字信號處理外，認知無線電還需要完成頻譜感知、頻譜分析、頻譜判決等認知無線電特有的功能。

而認知無線電平台中使用的A/D和D/A模塊的作用和性能指標也與軟件無線電系統基本相同。A/D和D/A模塊一般集成在通用硬件平台之中。

另外，認知無線電平台射頻前端除了完成軟件無線電系統所需的不同頻段的寬帶射頻信號和中頻信號之間的轉換外，還需要協助甚至單獨完成寬帶頻譜感知等認知無線電特有的功能。但就結構而言，認知無線電平台的射頻模塊與軟件無線電平台的射頻前端基本類似。關於認知無線電的射頻前端技術將在下面重點介紹。

相對軟件無線電系統而言，認知無線電系統射頻模塊的特點就是，它需要協助系統甚至單獨完成寬帶頻譜感知功能。這個功能要求射頻模塊的射頻硬件具有很寬的工作頻帶範圍，從而實現對頻譜信息實時的、大範圍的測量。和軟件無線電射頻模塊類似，認知無線電射頻模塊的基本體系結構如圖3所示。

圖3 認知無線電的寬帶射頻前端結構

從圖3中可以看出，和軟件無線電的射頻模塊類似，認知無線電的射頻前端具有混頻、放大和自動增益控制等功能，實現大頻譜範圍內的射頻信號與中頻信號之間的轉換，從而解決A/D的性能不滿足對射頻信號直接採樣的問題。其中，可編程帶通濾波器、低噪聲放大器、可編程本地振盪器以及混頻器和自動增益控制等需要具有與軟件無線電平台類似的性能參數。

為了協助完成認知無線電系統的認知功能，對周圍無線電環境中的授權用户進行檢測，認知無線電系統的射頻模塊對某些部件的要求要高於軟件無線電系統，它要求射頻前端具有在大動態範圍內檢測一個或多個弱信號的能力，即接收機需要具有足夠的工作帶寬和靈敏度，使其能準確地檢測不同頻帶不同功率電平的主信號。同時，考慮到頻譜感知一般由能量檢測、特徵檢測等方法完成，如果射頻模塊需要單獨完成頻譜感知，它還需要具有信號處理功能。

國內外認知無線電技術的研究大都集中在物理層、MAC層、網絡層的功能方面，如頻譜感知、功率控制、頻譜共享、頻譜移動性管理、認知無線電的安全技術以及認知無線電的跨層設計等技術。

針對認知無線電的發展，世界各國通信專家都密切關注，國內外的大學和科研機構也相續開展了認知無線電技術的研究。其中主要的研究機構有美國國防高級研究計劃署（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、維吉尼亞無線通信技術中心、英國移動電信技術虛擬中心多模終端研究小組、布里斯托爾大學通信系統研究中心和歐洲通信協會等。此外，美國加州大學伯克利分校的無線研究中心、荷蘭的代爾夫特理工大學、德國柏林技術學院等也有關於認知無線電方面的研究。

近年來，國內研究機構也開始關注和跟蹤該技術，並開展了相關的研究，這些研究機構主要是清華大學、電子科技大學、西安交通大學及香港科技大學等高校。鑑於認知無線電的研究狀況，國家“863”計劃基金也在2005年首次支持了認知無線電關鍵技術的研究。 ^[4] 

認知無線電技術被視為解決當前頻譜資源利用率低的有效方案。各標準化組織和行業聯盟紛紛展開對認知無線電技術的研究，並着手製定認知無線電的標準和協議，以其推動認知無線電技術的發展和應用。涉及認知無線電標準化的機構主要有美國電氣電子工程師協會（IEEE）、國際電信聯盟（ITU）、軟件無線電論壇（SDRForum）和美國國防部高級研究計劃署（DARPA）等。

IEEE涉及認知無線電的標準最受關注的有兩個：IEEE802.22和IEEESCC41（或者稱為P1900）。其中，IEEE802.22是採用認知無線電技術為基礎的空中接口標準，IEEESCC41的標準化工作主要涉及動態頻譜接入的相關技術。另外，我們認為，共存問題、動態頻譜選擇和功率控制、動態頻譜接入等技術都屬於認知無線電的範疇。因此，除上述兩個標準之外，IEEE還有其他幾個標準也涉及認知無線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已經完成的標準化有：（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。

2003年12月，FCC在其規則的第15章公佈了修正案。法律規定[7]“只要具備認知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現有無線頻帶”，這為新的無線資源管理技術奠定了法律基礎。WRAN的目的就是使用認知無線電技術將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶（北美為54～862MHz）的頻率用作寬帶訪問線路，將空閒頻道有效地利用起來。IEEE802.22標準工作組於2005年9月完成了對WRAN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行審議和合並，並於2006年3月形成了最終的合併提案作為編寫標準的基礎。

UWB技術產生於20世紀60年代，當時主要應用於脈衝雷達（ImpulseRadar），美國軍方利用其進行安全通信中的精確定位和成像。至20世紀90年代之前，UWB主要應用於軍事領域，之後UWB技術開始應用於民用領域。UWB由於具有傳輸速率高、系統容量大、抵抗多徑能力強、功耗低、成本低等優點，被認為是下一代無線通信的革命性技術，而且是未來多媒體寬帶無線通信中最具潛力的技術。

認知無線電採用頻譜感知技術，能夠感知周圍頻譜環境的特性，通過動態頻譜感知來探測“頻譜空洞”，合理地、機會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，認知無線電技術還支持根據感知結果動態地、自適應地改變系統的傳輸參數，以保證高優先級的授權主用户對頻段的優先使用，改善頻譜共享，與其他系統更好地共存。

以IEEE802.11標準為基礎的無線技術已經成為WLAN技術的主流，通過接入無線網絡實現移動辦公已經成為很多人生活方式的一部分。隨着無線局域網的普及，頻譜資源越來越緊張，某些工作頻段的通信業務近乎達到飽和狀態，無法滿足新的業務請求；同時，某些其他頻段比較空閒，能夠提供更多的可用信道。在這樣的背景下，認知無線電技術的出現和發展為解決以上問題帶來了新的思路。認知無線電技術能通過不斷掃描頻譜段，獲得這些可用信道的信道環境和質量的認知信息，自適應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。因此認知無線電技術對於WLAN而言更具有吸引力。而且無線局域網具有工作區域小、工作地點靈活、無線環境相對簡單等特點，更有利於認知無線電技術的實現。

無線Mesh網絡是近年來出現的具有一種無線多跳（Multi-hop）的網絡結構。在Mesh網絡中，每個節點可以和一個或者多個對等節點直接通信；同時也能模擬路由器的功能，從鄰近節點接收消息並進行中繼轉發。這樣，Mesh網絡通過鄰近節點之間的低功率傳輸取代了遠距離節點間的大功率傳輸，實現了低成本的隨時隨地接入。網絡中所有節點之間是相互協作的，如果Mesh網絡中的一條鏈路失效了，網絡可以通過替代鏈路將信息路由到目的地，優化了頻譜的使用。

認知無線電和無線Mesh網絡結合，正是在增大網絡密度和提高服務吞吐量的發展趨勢下提出來的，適用於可能有嚴重的線路爭用情況的人口稠密城市的無線寬帶接入。認知Mesh網絡通過中繼方式可以有效地擴展網絡覆蓋範圍，當一個無線Mesh網的骨幹網絡是由認知接入點和固定中繼點組成時，無線Mesh網的覆蓋範圍能夠大大增加。尤其是在受限於視距傳輸的微波頻段，認知Mesh網絡將有利於在微波頻段實現頻譜的開放接入。

一般的多跳Ad-hoc網絡在發送數據包時會預先確定通信路由。認知無線電技術能夠實時地收集信息並且自動選擇波形，並向各方通知尚未使用的頻率信息，適用於具有不可提前預測的頻譜使用模式的應用場景。因此，當認知無線電技術應用於低功耗多跳Ad-hoc網絡，能夠滿足分佈式認知用户之間的通信需求。

由於認知無線電系統可根據周圍環境的變化動態地進行頻率的選擇，而頻率的改變通常需要路由協議等進行相應調整，因此，基於認知無線電技術的Ad-hoc網絡需要新的支持分佈式頻率共享的MAC協議和路由協議。 ^[4]