認知無線電技術：無線電管理新助手

周志平

無線電通信領域，認知無線電技術（CR，CognitiveRadio）

的研究一直為大家所矚目。這一新興技術融合了當代無線電通信技術、計算機技術、微電子學技術、軟件無線電技術和現代信號處理技術等多學科之長，提出了一套完整的動態頻譜資源利用和管理的方法，以期提高頻譜利用率，滿足無線電通信不斷擴大的需求。無線電管理部門作為頻譜的主管部門，強烈地感受到認知無線電技術帶來的巨大影響。因此，充分合理地利用認知無線電技術，借此來提高頻譜利用率，緩解目前緊張的頻譜資源問題已是非常必要。

認知無線電技術的背景

隨著各種無線通信技術的應用與發展，一方面頻譜資源緊缺的狀況日益突出，另一方面頻譜資源的利用率十分低下。表1說明頻譜需求將越來越高，但頻譜資源有限。為了解決頻譜物理資源匱乏與低利用效率之間的矛盾，迫切需要一種動態接入頻譜的方式，認知無線電技術由此應運而生。認知無線電技術采取動態的頻譜分配方式，可擇機接入用戶授權頻段或非授權頻段，以提高頻譜利用效率，緩解頻譜資源供求緊張的矛盾，促進無線通信技術的應用與發展。因此，認知無線電技術被提出后，便受到了無線電管理部門及相關行業等的密切關注。

認知無線電技術關鍵技術

認知無線電技術的主要工作包括頻譜感知、動態頻譜管理和傳輸功率控制三大部分。圖1給出了一個認知環，說明了認知無線電的任務和組成。

頻譜感知技術

認知無線電能夠感知、適應和學習周圍的電磁環境，發現頻譜空穴（Frequency Hole），熟知無線信號的特征，并合理利用這些結果，這就是頻譜感知（Spectrum Awareness）技術。

頻譜感知也叫頻譜空穴的探測，是認知無線電技術的一項重要任務，對認知無線電的設計和實現至關重要。頻譜空穴的探測首先要感知外部無線環境，然后估計射頻輸入激勵的功率頻譜。為此，可以把功率頻譜區域大致分成3類：黑色區域——大部分的時間被強功率的信號所占用；灰色區域——在部分時間被低功率信號所占用；白色區域——沒有射頻干擾，只有外界自然或人為的環境噪聲。白色區域可以被非授權用戶所使用，灰色區域在一定程度上也可以被非授權用戶所使用。當黑色區域中的發射機處于工作狀態時，非授權用戶一定要避免使用。然而，在特定的位置，當那些發射機處于關機狀態時，黑色區域就成了新的“頻譜空穴”，認知無線電以適當的方式把黑色區域當成白色區域加以利用，達到頻譜共享。

動態頻譜分配

由于認知無線電網絡中用戶對帶寬的需求、可用信道的數量和位置都是隨時變化的，傳統的話音和無線網絡的動態頻譜分配（DSA， Dynamic Spectrum Allocation）方法不完全適用。另外要實現完全動態頻譜分配（Fully DSA）受到很多政策、標準及接入協議的限制。因此目前基于CR的DSA的研究主要基于頻譜共享池（Spectrum Pooling）這一策略。基于頻譜共享池策略的DSA實質上是一個受限的信道分配問題，以最大化信道利用率為主要目標的同時，還需考慮干擾的最小化和接入的公平性。

功率控制

采用認知無線電技術實現頻譜共享的前提是必須保證對主用戶不造成干擾，而每個分布式操作的認知用戶的功率分配是造成干擾的主要原因，因此需要探索適用于CR技術的分布式功率控制方法。

到目前為止，一般主要應用信息論和對策論來解決其功率控制的難題。多用戶認知無線電系統的功率控制問題首先可看作是一個對策論的問題。若不考慮競爭現象，可看作純合作對策，這樣該問題就簡化為一個最優控制理論問題，但限制了問題的許多方面。因此，用對策論方法研究的功率控制問題最終被歸結為一個非合作對策。目前主流的方法是采用Markov對策進行分析解決。實現功率控制的另一種方法是基于信息論的迭代注水法。分析表明迭代注水法更適用于多用戶環境，可通過增加遺憾意識的學習機制提高其性能，以支持更多用戶接入。

認知無線電技術的應用

認知無線電技術能實現頻率資源的動態使用，在無線電通信領域和無線電管理中應用廣泛。CR技術切實提高了有限的無線電頻譜利用率，也給無線電管理工作帶來了新的工作思路和方向。

軍事領域的應用

隨著戰場上智能化、信息化裝備的逐漸增多，戰場的電磁環境愈加惡劣，頻譜資源也日益匱乏。認知無線電技術為這一問題的解決提供有效途徑，軍用認知無線電系統具備電磁環境感知能力，通過對環境的理解和學習，實時調整內部配置，以適應外部戰場環境的變化。它將環境感知、信號處理、人工智能、軟件無線電、資源調度分配、功率控制、協同通信等多項技術綜合在一起， 在無需專門授權的情況下，認知無線電能夠借助頻譜感知等技術接入已授權的頻段，極大地提高頻譜利用效率和通信系統性能。

目前在軍事上應用主要有三個方面：電磁環境感知和通信指揮一體化、軍用認知頻譜管理、軍用認知抗干擾通信。

災后應急通信中的應用

災害發生時，電信企業都面臨兩大考驗：一方面通信網絡受到不同程度的損壞，信息通信服務保障能力大大降低；另一方面政府和公眾均十分迫切地想了解災情，通信業務“井噴式”增長，形成通信阻塞。認知無線電技術從解決應急通信中的中頻信道擁堵，而高頻段頻譜利用率低下的問題出發，使得無線通信設備可以接入授權的高頻空閑頻譜，并動態地利用頻譜，有望緩解現有通信線路的擁堵問題，為應急通信的建設展開了另一種技術前景。

無線電管理中的應用

無線電管理部門作為無線電頻譜的直接主管部門，面對無線通信行業新技術新產品的蓬勃發展，頻譜需求不斷攀升，有必要利用和發揮認知無線電技術，實現無線電頻譜利用最大化。

當前，認知無線電在無線電管理中的應用面臨的最大障礙是政策問題，而不是技術挑戰。頻譜的缺乏主要是由于靜態（固定）的頻譜分配體制而不是頻譜資源本身的缺乏，固定頻譜管理策略所導致的頻譜資源沒有被充分利用實際上是“頻率資源緊張”的主要原因，原有的靜態的無線電管理手段已經不能適應對認知無線電的管理，需要改革和完善。

當前分配給電視頻道的固定頻帶只允許受讓者使用，即使受讓者不使用，該頻道帶寬處于閑置狀態時，也不允許其他設備使用。同樣，在特定區域內未經分配的電視頻道頻帶也不允許其他設備使用，甚至不能被同一區域的其他電視廣播設備使用，因此這些頻道總是處于未使用狀態。此外，頻道之間也存在著未使用的頻譜，因為各個電視廣播設備的發射功率很高，可能會相互干擾，只有在各發射頻道之間有一個很寬的頻譜間隔，電視調諧器才可能清晰地接收廣播信號。面對這些狀況，無線電管理部門可以通過理順頻譜分配資源，分析政策障礙，制定切實有效的政策，統籌地方其他相關管理部門在無線電管理方面的協調工作。那么，通過認知無線電技術和無線電管理，這些閑置低利用率的優質頻段可以被再次利用，從而提高無線電頻譜的利用率，大大緩解了目前頻譜緊張的局勢。

此外，認知無線電技術對于無線電管理部門而言不但可以解決頻譜資源緊張的矛盾，而且無線電監測也可以借助其先進的頻譜感知技術來提升監測能力。

認知無線電技術的深遠影響

認知無線電技術能實現頻率資源的動態使用，提高無線電頻譜的利用率，有效解決目前嚴重的頻譜資源緊張問題。這一無線電通信新技術對頻譜資源管理影響深遠，將會是無線電技術發展史上的一個里程碑。

對于無線電管理部門來說，這既是機遇也是挑戰。挑戰是無線電管理部門如何才能更好地利用和發揮認知無線電技術。這就要求無線電管理部門在管理上有所突破，學習更先進的管理模式，需要考慮長期演進的頻譜管理戰略，以逐步開放的方式，制定不同階段適合對認知技術開放的頻段，將傳統的封閉式、保護式的頻率劃分機制改變為開放式、互補式、動態靈活的頻譜管理方式。機遇是借此契機，無線電管理部門借助認知無線電技術來提升能力，有效地解決無線電工作中的軟肋，進一步加強同相關管理部門的協調工作。

無線電通信新技術發展層出不窮，無線電管理部門要與時俱進，不斷提高監測能力和管理水平，保障無線電頻率使用安全，切實維護好空中電波秩序，更好地服務于社會經濟的發展，為經濟發展保駕護航。

（作者單位：浙江省無線電監測站）endprint