認知無線電與多維度的協(xié)作通信

摘要:認知無線電技術已經(jīng)向“網(wǎng)絡與系統(tǒng)”的框架轉(zhuǎn)變，為增強認知能力、降低認知成本，協(xié)作手段成為必然。物理層鏈路技術面臨進一步提升性能的“瓶頸”，通過不同網(wǎng)絡元素間的多維度協(xié)作提高系統(tǒng)整體性能是下一階段移動通信系統(tǒng)增強的主要途徑。在這一過程中，對環(huán)境背景信息和用戶業(yè)務特征的廣泛感知是智能化協(xié)作與聯(lián)合資源管理的重要基礎。認知無線電與多維度協(xié)作通信的結合將成為技術發(fā)展的必然趨勢。

關鍵字:認知無線電；多維度協(xié)作通信；協(xié)作認知；認知無線網(wǎng)絡；聯(lián)合資源管理

英文摘要:The view of cognition is being upgraded from cognitive radio to cognitive network and system. The cooperation becomes a powerful tool to improve the capability of cognition and lower the cost. Meanwhile, the performance of physical link techniques is close to the theoretical limitation. Further system performance improvement should rely on the multi-dimension cooperation among different entities in the entire system. The awareness of context and characteristics of radio environments and users’ traffic will be the foundation of both cooperative communications and joint radio resource management. Therefore, the combination of cognitive radio and multi-dimension cooperative communications is expected to be the future direction of mobile communications.

英文關鍵字:cognitive radio; multi-dimension cooperative communications; cognitive wireless network; joint radio resource management

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計劃)課題(2007CB307101、2007CB307106)

認知無線電和協(xié)作通信都是當前理論研究及產(chǎn)業(yè)界關注的熱點技術。經(jīng)過10年的研究，認知無線電技術已經(jīng)由單純的“無線電”視角向“網(wǎng)絡與系統(tǒng)”的框架轉(zhuǎn)變。而協(xié)作通信也在從早期的協(xié)作中繼向更多維度的廣泛協(xié)作前進。在技術發(fā)展過程中，認知無線電和協(xié)作通信的研究者都發(fā)現(xiàn)，對方的技術思路與概念對突破自身的技術發(fā)展“瓶頸”、提高技術實現(xiàn)效率具有重要參考作用，所以二者的結合將成為技術發(fā)展的必然趨勢。

1 從認知無線電到認知無線網(wǎng)絡

認知無線電(CR)的概念最早由瑞典人Mitola博士于20世紀90年代末期提出[1]。自此之后的10年間，認知無線電逐漸成為國際無線通信學術界的研究熱點之一。在研究過程中，不同組織和團體對認知無線電也提出了各自的定義。綜合不同標準化及工業(yè)界組織(如ITU-R、IEEE、SDR論壇)及工業(yè)界主要公司(如Intel、Alcatel-Lucent、France Telecom等)的定義，可以發(fā)現(xiàn)，認知無線電系統(tǒng)應該具備檢測、分析、調(diào)整、推理、學習等能力。事實上，這些具體功能就是一個認知循環(huán)的主要組成部分，這一過程中的主要特征與屬性包括：

有意識的。認知無線電系統(tǒng)能夠偵測、存儲、回憶并傳播關于射頻環(huán)境、地理信息和環(huán)境背景的信息。

可調(diào)整的。在取得環(huán)境信息的基礎上，認知無線電系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)關鍵參數(shù)(如工作頻率、功率、調(diào)制方式等)進行調(diào)整，以適應環(huán)境的要求。

自動化的。認知無線電系統(tǒng)無需用戶干涉，能夠自行做出各種情況的調(diào)整。

自適應的。認知無線電系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的行為和選擇，調(diào)整自身的工作模式與策略，通過推理和學習，更好地適應和滿足用戶需要。

關于認知無線電技術框架[2]的典型描述如圖1所示。

可以發(fā)現(xiàn)，典型的認知無線電技術框架均包含兩個主要組成部分：

認知引擎

可重配置的無線收發(fā)信機

其中，可重配置的無線收發(fā)信機是認知無線電系統(tǒng)的基礎，通過可重配置特性，實現(xiàn)認知無線電系統(tǒng)中可調(diào)整與自動化的特征。

在實現(xiàn)可重配置特性的過程中，軟件定義無線電(SDR)技術可以發(fā)揮重要作用。在SDR系統(tǒng)中，由于無線收發(fā)信機的主要組成部分可以通過軟件定義，則系統(tǒng)可在同一個硬件平臺上，僅通過軟件配置即可實現(xiàn)系統(tǒng)整體的重配，此特性對提高系統(tǒng)重配效率、降低全壽命成本具有重要意義。同時，必須指出，SDR技術并不是實現(xiàn)認知無線電技術的必要條件。傳統(tǒng)的硬實現(xiàn)方式架構下，通過同時實現(xiàn)多模式、多頻段的硬件平臺，也可在一定程度上滿足可重配置的工程實現(xiàn)需要。

認知引擎(CE)將定義認知無線電系統(tǒng)獲取、分析外界環(huán)境信息，并通過推理、學習，調(diào)整自身工作模式與策略的框架與機制，是認知無線電系統(tǒng)的核心，集中體現(xiàn)認知無線電有意識和自適應的特征屬性。認知引擎的主要構成要素包括環(huán)境監(jiān)測模塊和推理學習模塊。這其中，推理學習模塊主要體現(xiàn)認知無線電的自適應特征，環(huán)境監(jiān)測模塊是認知引擎的基礎部分，通過偵測無線環(huán)境或者從其他數(shù)據(jù)源獲得無線環(huán)境的信息，體現(xiàn)認知無線電系統(tǒng)的有意識的特征。該部分也一直是認知無線電領域的研究熱點，重點集中于對無線電頻譜使用情況的偵測[3]。

無線電頻譜偵測的目的在于找出適合通信的“頻譜空洞”，在不影響已有通信系統(tǒng)的前提下伺機工作。長期以來，無線電頻譜偵測的基本出發(fā)點都基于“全能型”無線電終端，由終端對頻譜進行掃描，并識別頻譜空洞。早期的檢測方法有采用導頻信號和周期平穩(wěn)過程特征檢測等。目前的仿真和分析表明，采用合作分集的方法可達到上述的可靠檢測概率要求。合作偵聽允許多個認知用戶之間相互交換偵聽信息，這可顯著提高頻譜的偵聽和檢測能力。采用物理層和MAC層聯(lián)合偵聽的跨層設計方法也可極大地提高頻譜偵聽能力。

回顧10年來的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，國際學術界和工業(yè)界對認知無線電技術的研究思路經(jīng)歷了一個發(fā)展變化的過程，即：由單純的“無線電”視角向“網(wǎng)絡與系統(tǒng)”的框架轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)的“無線電”視角之下，認知無線電系統(tǒng)所要求的有意識的、可調(diào)整的、自動化和自適應的特征，需要由“全能型”的無線收發(fā)信機(支持所有模式所有頻段)來偵測、發(fā)現(xiàn)并協(xié)商適合的工作頻率、波形及協(xié)議。然而，隨著研究工作的開展與深入，這一傳統(tǒng)“無線電”視角逐漸暴露了局限性：

所謂“全能型”收發(fā)信機的實現(xiàn)成本、復雜度、功耗等因素使其在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。

僅僅關注了無線鏈路底層，而忽視了不同網(wǎng)絡節(jié)點之間的交互及協(xié)作。

無法反映用戶業(yè)務與應用對無線系統(tǒng)的影響與需求。

所以，認知無線電的研究視角逐漸從無線鏈路的底層功能擴展到了更高層次的協(xié)議和網(wǎng)絡設計，認知無線網(wǎng)絡(CWN)已逐漸成為認知無線電未來研究和產(chǎn)業(yè)化方向的共識。在認知無線網(wǎng)絡的框架內(nèi)，無線網(wǎng)絡將根據(jù)其與周邊多維環(huán)境(網(wǎng)絡、協(xié)議、應用等)交互信息的情況，調(diào)整其網(wǎng)絡特性，實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能。

2 多維度協(xié)同的移動通信

移動通信技術發(fā)展的歷史表現(xiàn)為一個發(fā)現(xiàn)和利用新的無線資源維度、提高系統(tǒng)整體頻譜效率的過程。20世紀70年代出現(xiàn)的蜂窩技術，使頻率復用成為可能，擴展了頻率資源的空間。而20世紀80年代開始的數(shù)字化過程，則開啟了時間軸的資源空間。世紀之交出現(xiàn)的多輸入多輸出(MIMO)技術，啟動了空間資源維度的利用�？梢哉f，這3次資源維度的開辟都極大地推動了移動通信技術的發(fā)展。近年來，隨著大量新技術的逐漸引入，物理層單鏈路性能得到了迅速提高，圖2反映了一些典型3.5G技術的物理層鏈路性能。