認知無線電技術(shù)的研究及發(fā)展

摘要　認知無線電技術(shù)作為軟件無線電技術(shù)的一個特殊擴展，受到日益廣泛的關(guān)注。由于該技術(shù)能夠自動檢測無線電環(huán)境，調(diào)整傳輸參數(shù)，從空間、時間、頻率、調(diào)制方式等多維度共享無線頻譜，可以大幅度提高頻譜利用效率。本文首先從認知無線電技術(shù)的定義入手，分別討論了認知無線電的基本概念、功能與實現(xiàn)、標準化的進程。然后介紹了當前應(yīng)用狀況，最后分析了未來的發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)。

1、引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們可以獲得的帶寬不斷地增加，移動通信的數(shù)據(jù)速率從10 kbit/s增長到2 Mbit/s，在不久的將來還可能提高到上百兆比特每秒。但即使如此，也無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的無線接入需求。為了緩解這一矛盾，一方面，人們不斷開發(fā)新的無線接入技術(shù)，利用新的頻段來提供各種業(yè)務(wù)；另一方面，不斷改進各種編碼調(diào)制方式，提高頻譜效率。但由于移動終端天線尺寸和功率的限制，可以用于無線接入的頻段很有限。在提高頻譜效率方面，目前較為先進的CDMA空中接口技術(shù)，如HSDPA可以達到1 bit/（s·Hz）的頻譜效率，將來OFDM和MIMO技術(shù)的應(yīng)用也只能達到3-4 bit/（s·Hz）的頻譜效率。3-4倍的頻譜效率的提高對于人們成百上千倍的帶寬需求增長是微不足道的。認知無線電技術(shù)的出現(xiàn)，為解決頻譜資源不足、實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理及提高頻譜利用率開創(chuàng)了嶄新的局面。

2、認知無線電的基本概念

認知無線電（cognitive radio，CR）的概念是由Joseph Mitola博士提出的，他在1999年發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文[1]中描述了認知無線電如何通過一種“無線電知識表示語言（RKRL）”的新語言提高個人無線業(yè)務(wù)的靈活性。隨后在2000年瑞典皇家科學(xué)院舉行的博士論文答辯中詳細探討了這一理論[2]。

認知無線電也被稱為智能無線電。從廣義上來說是指無線終端具備足夠的智能或者認知能力，通過對周圍無線環(huán)境的歷史和當前狀況進行檢測、分析、學(xué)習、推理和規(guī)劃，利用相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸參數(shù)，使用最適合的無線資源（包括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等）完成無線傳輸。認知無線電能夠幫助用戶自動選擇最好的、最廉價的服務(wù)進行無線傳輸。甚至能夠根據(jù)現(xiàn)有的或者即將獲得的無線資源延遲或主動發(fā)起傳送。

由定義可以看出。認知無線電的一個最大優(yōu)勢就是無線用戶可以通過該技術(shù)實現(xiàn)“頻譜共享”。目前大多數(shù)頻譜已經(jīng)被劃分給不同的許可持有者（又稱為首要用戶），包括移動通信、應(yīng)急通信、廣播電視等。但是隨著用戶需求的增長，簡單地通過開發(fā)新的無線接入技術(shù)和使用新的頻點已經(jīng)無法充分滿足市場需求。

近年來，很多學(xué)者通過監(jiān)測分析當前無線頻譜使用狀況發(fā)現(xiàn)，雖然大部分頻譜已經(jīng)被分配給不同的用戶，但是在相同時間、相同地點頻譜的使用卻非常有限。常常是大部分頻點未被使用，而某些熱點頻率又處于超負荷運行。美國聯(lián)邦通信管理委員會（FCC）充分注意到了這一點，于2002年11月出版了頻譜政策任務(wù)組撰寫的一份報告[3]，該報告指出，當前分配的絕大多數(shù)頻譜的利用率為15%-85%。因此FCC認為當前存在的最主要問題并不是沒有頻譜可用，而是現(xiàn)有的頻譜分配方式導(dǎo)致資源沒有被充分利用。只有徹底改變當前固定頻譜分配政策，部分甚至全部采用動態(tài)頻譜分配政策，使多種技術(shù)可以實現(xiàn)“頻譜共享”，才能徹底改變頻譜缺乏的問題。如果采用頻譜共享技術(shù)，允許部分免許可用戶在不影響首要用戶的前提下動態(tài)共享部分頻點可以極大地緩解目前頻譜資源緊張的問題。

與學(xué)術(shù)研究給出的定義略有不同，F(xiàn)CC的定義相對狹義一些：認知無線電技術(shù)是無線終端利用與周圍無線環(huán)境進行交互所獲取的無線背景知識，調(diào)整傳輸參數(shù)，實現(xiàn)無線傳輸?shù)哪芰Α＜粗灰�具備環(huán)境探測，并且能夠調(diào)整傳輸頻點和相關(guān)傳輸參數(shù)的設(shè)備就是認知無線電設(shè)備。

實際上，認知無線電技術(shù)是對頻譜資源從時間、空間和頻率等多維度的重復(fù)利用和共享。認知無線電在特定頻段上進行探測，如果發(fā)現(xiàn)該頻段當前未被使用，可以在不影響首要用戶的前提下使用該頻段。如果該頻段的首要用戶恢復(fù)無線傳輸，那么認知無線電設(shè)備就跳轉(zhuǎn)到其他頻段或者通過改變傳輸功率、調(diào)制方式等手段來避免對首要用戶產(chǎn)生干擾。

3、認知無線電的功能與實現(xiàn)

從認知無線電的概念我們可以看到，與傳統(tǒng)的以發(fā)射機為中心的設(shè)計思想所不同，認知無線電是以接收機為中心的以目標為驅(qū)動的框架；與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是，僅僅實現(xiàn)底層的功能是遠遠不夠的，如果要確保大量認知無線電設(shè)備正常工作必然要涉及到更高層次的協(xié)議設(shè)計。

3.1　認知無線電的主要功能

由于認知無線電技術(shù)尚處于起步階段，對于該技術(shù)的主要功能還處于討論過程中。Mitola博士提出的認知循環(huán)過程相對比較復(fù)雜，包括一系列認知學(xué)習步驟[4]。當前，不同組織機構(gòu)在設(shè)計實現(xiàn)認知無線電的總體框架中所涉及的具體內(nèi)容也有所不同。從比較完整的意義上一般認為，認知無線電系統(tǒng)應(yīng)該具備檢測、分析、調(diào)整、推理、學(xué)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。

（1）檢測

由特殊應(yīng)用環(huán)境所決定，認知無線電必須具備精確的無線頻譜檢測能力，必須在可使用的全頻段范圍內(nèi)多維度進行頻譜檢測，從而發(fā)現(xiàn)可使用的頻段。由于是免許可使用，認知無線電必須具備迅速發(fā)現(xiàn)首要用戶的能力，在工作過程中時刻檢測首要用戶是否處于活動狀態(tài)，從而確保不對其產(chǎn)生干擾。更為困難的一點是，由于廣播電視用戶多為啞終端，即僅僅完成接收功能。而作為認知無線電用戶又必須能夠發(fā)現(xiàn)他們的存在，從而避免對其產(chǎn)生干擾，這就為頻譜檢測提出了更為艱巨的要求。目前有些研發(fā)人員提出通過檢測接收機本振的頻譜泄漏來完成對啞終端的定位，但是仍處于研究階段。

（2）分析

認知分析包括對自身性能、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部狀態(tài)、外部相關(guān)數(shù)據(jù)（包括頻譜使用、策略使用等）和用戶自身需求等相關(guān)知識的分析。如果說檢測是信息的獲取，那么分析就是對相關(guān)信息的初步處理。認知無線電設(shè)備通過所獲取的頻譜檢測結(jié)果分析首要用戶的位置、使用的頻點和發(fā)射時間，同時分析可用頻點位置、可用帶寬、信道狀況、自身傳輸可能會對其他用戶產(chǎn)生的影響以及完成業(yè)務(wù)傳輸所需的帶寬和時間。

（3）調(diào)整

調(diào)整能力是完成傳輸?shù)年P(guān)鍵，根據(jù)檢測和分析的相關(guān)結(jié)果，認知無線電設(shè)備通過先進的功率控制技術(shù)、不同的編解碼以及調(diào)制技術(shù)，選擇合適的頻點和發(fā)射時機，從而成功地完成傳輸。這就要求認知無線電設(shè)備具備較強的性能，能夠在較寬的頻段內(nèi)實現(xiàn)不同傳輸方案之間的切換，并且在突發(fā)事件發(fā)生后能夠及時暫停或恢復(fù)傳輸，確保在不干擾首要用戶的情況下獲取最大限度的傳輸能力。

（4）推理和學(xué)習

由于當前無線頻譜環(huán)境的復(fù)雜性，簡單的檢測、推理和分析可能無法獲得較好的傳輸性能。如何根據(jù)無線背景環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析預(yù)測是一個非常重要的課題。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行推理，獲得一定的參考信息，在此基礎(chǔ)上進行調(diào)整是一個較好的解決方案。一般來講，這種推理和學(xué)習分為三種：第一種是基于簡單固定規(guī)則，即輸入、輸出可以預(yù)測；第二種是基于較為復(fù)雜的模型，運用一些模糊規(guī)則，輸出結(jié)果不可完全預(yù)測；第三種是基于學(xué)習型的模型，系統(tǒng)運行過程中能夠不斷調(diào)整模型及其參數(shù)，從而獲得較好的預(yù)測結(jié)果。當前這一部分研究相對來講更為滯后。

3.2　認知無線電的實現(xiàn)關(guān)鍵

（1）高靈敏度接收機

認知無線電在開始使用之前必須先對頻譜功率密度進行估計，以確定哪些頻點正在使用。為了精確測量頻譜，需要有高靈敏度的接收機來測定小區(qū)邊緣的信號功率。以一個位于小區(qū)邊緣的數(shù)字電視機為例，接收到的信號可能剛剛超過接收機的靈敏度要求。為了能夠檢測出這一信號，認知無線電需要具有比數(shù)字電視機更高的靈敏度。如果認知無線電不能檢測到數(shù)字電視信號，就會錯誤地認為該頻點未被使用，從而對數(shù)字電視機的解碼產(chǎn)生干擾，這種情況被稱作“隱藏節(jié)點問題”。同時，這一技術(shù)也是對首要用戶發(fā)射狀態(tài)的檢測、首要用戶定位和可用頻譜資源檢測的關(guān)鍵所在。

（2）智能處理平臺

高速智能處理平臺是認知無線電設(shè)備根據(jù)無線檢測結(jié)果分析無線傳輸背景，包括首要用戶的存在、定位、頻譜空穴的發(fā)現(xiàn)、信道狀況估計和傳輸帶寬選擇等多方面參數(shù)確定的基礎(chǔ)。當頻譜被分配后，認知無線電必須還能夠估計首要用戶的干擾容限，從而確定自身的傳輸功率。很多情況下，這個限定的量為0.5-1dB，但還要取決于首要用戶接收機的鏈路余量。干擾程度至少可以通過兩個信息來確定：首要用戶信號帶寬的估計，認知無線電和被干擾設(shè)備之間的距離。信號帶寬可以用來確定被干擾設(shè)備的噪聲門限，距離可以用來確定被干擾設(shè)備接收到的認知無線電信號功率強度。假設(shè)被干擾設(shè)備的噪聲門限可以允許提高一個預(yù)先設(shè)定的量值，可以很容易計算出認知無線電最大允許發(fā)射功率。當然，這種分析過于簡單，可以進一步細化，如果認知無線電能夠?qū)κ滓�用戶的信號類型和對�?yīng)的數(shù)據(jù)速率進行盲識別，這些額外的知識可以確定被干擾設(shè)備靈敏度的具體數(shù)值。

（3）可重配置的無線電設(shè)備

根據(jù)無線背景分析所獲得的可用頻譜空穴、干擾強度以及先驗知識，認知無線電通過調(diào)整傳輸功率和其他主要參數(shù)從而保證在不干擾首要用戶的前提下獲得最大的傳輸速率。因為認知無線電設(shè)備工作頻帶較寬，可采取的傳輸方案、可選擇的傳輸參數(shù)較多，要求的切換時間較短，因此必須具備高性能的、可重配置的無線電平臺。從無線電發(fā)展的歷程上看，認知無線電可以看作是軟件無線電技術(shù)在環(huán)境探測能力方面的擴展。從未來的發(fā)展趨勢也可以看出，未來的大部分認知無線電設(shè)備可能是基于軟件無線電的，但這并不表明認知無線電設(shè)備必須具備軟件或現(xiàn)場可編程器件，軟件無線電技術(shù)只不過是認知無線電技術(shù)的一種實現(xiàn)方案。

（4）組網(wǎng)應(yīng)用

從前面的討論可以看出，認知無線電是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。當多個認知無線電系統(tǒng)共同工作時，問題就變得更加棘手了。當各個認知無線電設(shè)備獨立工作的時候就不可避免地產(chǎn)生沖突。而且由于各個設(shè)備都具有一定的“智能”，這種相互之間的躲避往往會產(chǎn)生一連串的碰撞。目前針對這個問題有人采用分組策略，即將某一地區(qū)的認知無線電分為不同的組，組內(nèi)共享某些必要信息，每一個新加入的成員可以選擇加入這個組或者單獨成立一個新組，從而避免沖突。也有人應(yīng)用博弈理論，提高系統(tǒng)智能避免沖突。

4、認知無線電的標準化

隨著認知無線電技術(shù)的發(fā)展，各標準化組織和行業(yè)聯(lián)盟也紛紛開展相關(guān)的研究，并且開始著手制定認知無線電的標準和協(xié)議。下面主要介紹ITU、軟件無線電論壇（software defined radio forum）和IEEE相關(guān)工作的進展。

ITU關(guān)于認知無線電的研究工作目前仍隸屬于ITU-R 8A工作組中的軟件無線電研究課題。因為軟件無線電不足以涵蓋認知無線電的所有范疇，所以ITU-R于2006年3月提出一項新的建議，將認知無線電單獨作為一個研究課題進行研究，這說明ITU已經(jīng)充分認識到認知無線電技術(shù)在未來通信發(fā)展中的重要意義。

2003年8月軟件無線電論壇就開始探討放松當前嚴格的頻譜劃分政策的可能性，研究通過開發(fā)新的智能無線電設(shè)備從而提高頻譜利用效率。該論壇于2004年10月成立了認知無線電工作組，專門開展有關(guān)認知無線電技術(shù)研究。鑒于軟件無線電論壇的特殊任務(wù)，該工作組主要致力于開展認知無線電平臺的分析和多模式調(diào)整功能的研究。

IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.22工作組[5]，這是第一個世界范圍的基于認知無線電技術(shù)的空中接口標準化組織。IEEE802.22也被稱為無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（wireless regional area network，WRAN），系統(tǒng)工作于41-910 MHz VHF/UHF頻段上未使用的TV信道，工作模式為點到多點。WRAN設(shè)備的關(guān)鍵是無需頻率許可。與電視等已有的首要用戶共存。當首要用戶工作時，WRAN不占用相應(yīng)頻段；當檢測到某些頻段沒有被首要用戶使用時，WRAN設(shè)備可以自動使用這些頻率資源；WRAN設(shè)備在工作期間發(fā)現(xiàn)首要用戶在相同頻段開始工作時，將迅速退讓出相應(yīng)頻段。

802.22標準工作組于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并，并于2006年3月形成了最終的合并提案作為編寫標準的基礎(chǔ)，預(yù)計2008年最終的標準將會被批準。

WiMAX由于缺乏可用頻段，專門成立了致力于解決共存問題的802.16h工作組，可以使WiMAX適用于UHF電視頻段，利用認知無線電技術(shù)使802.16系列標準可以在免許可頻段獲得應(yīng)用。

802.22和802.16h都只是認知無線電的簡單應(yīng)用，為了進一步研究認知無線電，IEEE于2005年成立了IEEE1900標準組，進行與下一代無線通信技術(shù)和高級頻譜管理技術(shù)相關(guān)的電磁兼容研究。該工作組對于認知無線電技術(shù)的發(fā)展和與其它無線通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與共存有著極其重要的意義。

5、認知無線電的管制與應(yīng)用情況

認知無線電在提高頻譜利用率方面的價值引起了各國電信管制機構(gòu)的興趣，不過由于認知無線電的技術(shù)和概念都非常超前，多數(shù)國家仍在研究討論當中，只有美國的FCC已經(jīng)正式批準具備認知無線電性能的設(shè)備進入市場。

近年來美國希望大力發(fā)展寬帶無線接入業(yè)務(wù)，但由于頻譜資源匱乏，亟需尋找新的頻段給新的接入技術(shù)。美國是最早推動和批準使用認知無線電設(shè)備的國家。FCC從2003年就開始嘗試引入認知無線電提高頻譜的利用。2003年12月，F(xiàn)CC公布了《使用認知無線電技術(shù)促進頻譜利用的通知》，就《FCC規(guī)則第15章（FCC rule part 15）》（用于數(shù)字式設(shè)備和低功發(fā)射機的法規(guī)）進行了修訂，并于2005年10月，正式批準了關(guān)于引入認知無線電技術(shù)、使用認知無線電設(shè)備的法規(guī)。

FCC認為目前最適合應(yīng)用認知無線電技術(shù)的是UHF中分配給電視廣播業(yè)務(wù)的6 MHz頻段，因為目前該頻段在美國利用率很低，通過允許其它免許可設(shè)備使用這個頻段，不僅可以提高頻率利用率，而且還可以推廣寬帶無線接入業(yè)務(wù)，因為這個波段傳播距離遠，適合為偏遠地區(qū)提供服務(wù)，可以促進美國社會的寬帶普及。FCC認為認知無線電技術(shù)還可以在高頻率頻段發(fā)揮作用，如100 GHz以上的頻段在美國的使用率只有5%-10%。

認知無線電聽起來是個十分新穎的概念，但事實上無線局域網(wǎng)（WLAN）領(lǐng)域已經(jīng)開始利用認知無線電技術(shù)。

WLAN是最早利用認知無線電技術(shù)的無線通信系統(tǒng)。FCC等法規(guī)機構(gòu)要求802.11a無線電能檢測雷達信號并避免與它們形成干擾，這種躲避雷達的能力要求系統(tǒng)具有強大的CR類自適應(yīng)能力，而這只是WLAN CR功能的開始。

目前Atheros公司推出的基于Super G技術(shù)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，加入了自動檢測功能，可以根據(jù)檢測到的鄰近無線局域網(wǎng)用戶情況自適應(yīng)調(diào)整信道占用，最大限度提高系統(tǒng)傳輸速率。基于該技術(shù)的無線局域網(wǎng)設(shè)備可以工作在兩種模式，一種為基本模式，另一種為Dynamic Turbo模式。在Dynamic Turbo模式下，通過擴展信號傳輸帶寬可以將傳輸速率提高到傳統(tǒng)802.11g的三倍。當檢測到周圍其它無線局域網(wǎng)絡(luò)運行時，具備Dynamic Turbo功能的Super G設(shè)備可以自動調(diào)整為單一頻道，避免對其它用戶產(chǎn)生影響，當沒有其它用戶存在時又可以自動調(diào)整為多信道傳輸，獲得最大的傳輸速率。

無論在軍用還是民用領(lǐng)域，認知無線電的研究與應(yīng)用都處于起步階段。在軍用領(lǐng)域，美國國防部高等研究計劃署（DARPA）于2003年成立了下一代通信計劃（XG），著眼于開發(fā)認知無線電的實際標準和動態(tài)頻譜管理標準。2003年開始，Raytheon公司與DARPA簽訂了下一代無線通信計劃的合同。從事認知無線電相關(guān)的技術(shù)研究與開發(fā)。在民用領(lǐng)域，Motorola、Intel等公司也已經(jīng)成立認知無線電研究組并開始開展相關(guān)的研究。

6、未來發(fā)展與展望

認知無線電是無線電技術(shù)發(fā)展的下一個里程碑。該技術(shù)的應(yīng)用會帶來歷史性的變革。對于頻譜管制者而言，該技術(shù)可以大大提高可用頻譜數(shù)量，提高頻譜利用率，有效利用資源；對于頻譜持有者而言，可以在不受干擾的前提下開發(fā)二級頻譜市場，在相同頻段上提供不同的服務(wù)，該技術(shù)可以為設(shè)備廠商帶來更多的機會，具備認知無線電功能的設(shè)備將更具競爭力；對終端用戶而言，可以帶來更多帶寬，在認知無線電技術(shù)成熟后。用戶則可以享受到單個無線電終端接入多種無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

當然，認知無線電技術(shù)的發(fā)展目前還存在一些障礙：首先，目前頻譜管制政策尚沒有完全放開，認知無線電技術(shù)的應(yīng)用還存在很大障礙；其次，認知無線電的靈活性還需要不斷提高，必須能夠隨著應(yīng)用策略的更改靈活配置；認知無線電技術(shù)需要強大的可重配置硬件平臺，目前的硬件技術(shù)發(fā)展還滿足不了相關(guān)需求；另外認知無線電組網(wǎng)工作的語言和協(xié)議目前很不完善，需要開發(fā)專門語言和協(xié)議在設(shè)備之間共享無線背景信息。

作為無線通信領(lǐng)域的最新進展，認知無線電技術(shù)受到日益關(guān)注，雖然由于技術(shù)的限制，認知無線電近幾年內(nèi)市場不會很大，但在不久的將來將會獲得突破性的進展，為無線電資源管理和無線接入市場帶來新的發(fā)展契機和動力。

參考文獻

l　Mitola J.Cognitive radio：making software radios more personal.IEEE Pers Commun，1999，6（4）

2　Mitola J.　Cognitive radio：an integrated agent architecture for software deftned radio.In：Doctor of Technology， Royal Inst Technol（KTH），Stockholm，Sweden，2000

3　Krenik W.Cognitive techniques for wide area networks.Rep ET Docket No02-135，F(xiàn)ederal Communications Commission，Nov 2002

4　Mitola J.Cognitive radio for fexible mobile multimedia communications. In：Mobile Multimedia Communications， IEEE International Workshop, 1999

5　IEEE 802.22 working group on wireless regional area networks，http：//WWW.ieee802.org/22/