認知無線電技術(shù)

認知無線電技術(shù)作為一種新興技術(shù)，已在802.16h、802.22等有所應(yīng)用。

傳統(tǒng)的無線電頻譜分配是以一種靜態(tài)的授權(quán)方式分配給各種通信系統(tǒng)。這種分配方式雖然簡單，但缺點是頻譜資源的利用效率很低。經(jīng)調(diào)查研究顯示，在這些獨占的授權(quán)頻段內(nèi)存在大量的“頻譜空洞”。為了緩解對頻譜需求的不斷增長和日益稀缺的頻譜資源的矛盾，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)已提出了開放部分授權(quán)頻段，允許非授權(quán)系統(tǒng)在不干擾授權(quán)系統(tǒng)正常通信的前提下使用這些頻段，從而提高頻譜利用率。認知無線電技術(shù)是使非授權(quán)用戶能與授權(quán)用戶共享頻譜，且保證不會干擾授權(quán)用戶正常通信的關(guān)鍵技術(shù)。認知無線電的概念最早是由Joseph　Mitola于1999年在軟件無線電的基礎(chǔ)上提出的。

認知無線電技術(shù)主要包括兩方面的內(nèi)容，一是對授權(quán)用戶的感知；二是根據(jù)感知結(jié)果進行重配置，從而實現(xiàn)與授權(quán)系統(tǒng)的共存以及自身系統(tǒng)內(nèi)的共存。

一、對授權(quán)用戶的感知

如何可靠的、準確地對授權(quán)系統(tǒng)進行感知，這是認知無線電系統(tǒng)是否能從理論走向?qū)崿F(xiàn)的決定因素。由于認知無線電系統(tǒng)可能需要頻繁的工作在未被充分利用的授權(quán)頻段上，這是一種基于機會的使用方式，因而它必須先能準確的感知到機會的存在后，才能加以利用。感知的偏差將導(dǎo)致兩種后果：1)對授權(quán)用戶造成干擾，同時自身獲得收益也很�。�2)未感知到可利用的機會，造成頻譜利用率低。目前，對授權(quán)用戶的感知的研究主要集中在以下兩個方面：

不同的感知技術(shù)在感知精度和感知時間上是不相同的。能量檢測是通過檢測在某頻段內(nèi)接收到的功率高低，來判斷是否有授權(quán)用戶正在使用該頻段。它的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，所需感知時間短，缺點是不能區(qū)分授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶的信號。另一種感知方式為循環(huán)平穩(wěn)特征檢測，它最大的特點就是能個提取出信號的特征。但同時它的缺點是設(shè)備復(fù)雜度提高和需要較長的感知時間。

在實際的無線傳播環(huán)境中，單個感知節(jié)點的感知結(jié)果可能因衰落、噪聲的不確定性等因素而與實際情況產(chǎn)生偏差。信道感知中有兩個重要的概率。其一是授權(quán)用戶的檢測概率，它是授權(quán)用戶出現(xiàn)后能被檢測出的概率。它表明了授權(quán)用戶的受保護程度。其二是虛警概率，它是授權(quán)用戶沒有出現(xiàn)而誤認為授權(quán)用戶出現(xiàn)的概率。為了進一步提高感知精度，又不過分增加對設(shè)備的要求，提出了聯(lián)合式的協(xié)作感知方式。協(xié)作感知是從多個分布式的非授權(quán)用戶收集感知數(shù)據(jù)，做出最終判決的過程。實際上可歸結(jié)為以一定的檢測概率為約束，最小化虛警概率的最優(yōu)化問題。它包括以什么方式來選擇進行協(xié)作感知的非授權(quán)節(jié)點，協(xié)作節(jié)點的數(shù)量以及感知結(jié)果的合并方式等。

二、根據(jù)感知結(jié)果進行重配置

功率控制和頻譜管理是重配置的主要內(nèi)容，它以不對授權(quán)用戶造成干擾為約束，以最大化自身(非授權(quán)系統(tǒng))效益為目標。CR網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)感知到的授權(quán)用戶的情況進行重配置可以采用集中式和分布式兩種方式。在集中式的情況下，CR節(jié)點需要將感知結(jié)果發(fā)送給一個中心服務(wù)器，中心服務(wù)器搜集到整個網(wǎng)絡(luò)的信息后，在滿足不干擾授權(quán)系統(tǒng)的約束下，以一定目標(如網(wǎng)絡(luò)吞吐量)為優(yōu)化對象，計算出每個節(jié)點相應(yīng)的重配置參數(shù)(發(fā)送功率、使用信道等)，再將這些信息發(fā)送給相應(yīng)節(jié)點。CR節(jié)點根據(jù)重配置信息來實現(xiàn)與授權(quán)系統(tǒng)共存和自共存。集中式方式通常以最優(yōu)化理論作為研究工具。它的優(yōu)點是能夠得到全局的最優(yōu)，但需要基于全局的信息，這在實際應(yīng)用中往往比較困難。在分布式的情況下，每個節(jié)點以一定的策略自己決定重配置參數(shù)，博弈論可以作為主要的理論工具。分布式方式可能只能獲得接近全局最優(yōu)的次優(yōu)解，但它無需獲得整個網(wǎng)絡(luò)的完整信息。

隨著授權(quán)頻譜的開放和CR技術(shù)的不斷成熟，相信在不久的未來，認知無線電將有效地提高現(xiàn)有的頻譜利用率。