未來無線通信網絡技術引領

王鑫　孫軍　杜愷

【摘 要】隨著信息通信技術的迅猛發展，有限的頻譜資源變得愈發緊張。為了緩解日益嚴重的頻譜資源緊張問題，無線認知網絡技術應運而生，成為引領未來無線通信技術方向的“大事件”。本文針對無線認知網絡技術，從概念、研究現狀和目前所研究的關鍵技術幾方面進行了探索、剖析與探討。

【關鍵詞】無線認知網絡；頻譜感知；頻譜共享；動態接入

0 引言

過去幾十年間，隨著半導體、微電子和計算機技術的迅猛發展，個人無線通信產業發生了爆炸性的增長。從移動電話到無線局域網（Wireless Local Area Network， WLAN），新興的業務類型層出不窮，人們在享受無線網絡所帶來便捷與樂趣的同時，日益增長的頻譜需求和有限的頻譜資源之間的矛盾也在急劇深化，為了緩解這一矛盾，研究人員提出了一種新的融合技術思路——無線認知網絡（Cognitive Radio Network）[1-2]。

無線認知網絡（CRN）是指網絡能夠感知外部環境，通過對外部環境的理解與學習，實時調整通信網絡內部配置，智能地適應外部環境的變化。其主要目的是向用戶提供最佳的端到端效能（End to End Efficiency）。它融合了認知無線電技術的特點，并考慮無線環境的信道特點、無線網絡的拓撲特征及無線終端的業務特性，分辨當前網絡狀態，然后根據這些狀態進行規劃、決策和響應，同時網絡能在自適應過程中不斷學習，并將它們用于后續決策，實現端到端效能的優化目標[3-4]。

1 無線認知網絡關鍵技術

目前，無線認知網絡的研究主要集中在以下幾個方面：頻譜感知（spectrum sensing）、頻譜共享（spectrum sharing）、動態頻譜接入（dynamic spectrum access）[5]。區別于傳統無線網絡的信道分配，認知網絡的信道分配往往需要基于實時感知的信道狀態，因此，頻譜感知是所有工作的基礎與核心。

1.1 頻譜感知

作為認知網絡的主要核心技術之一的頻譜感知技術，其目的是要發現在時域、頻域及空域的頻譜空洞，進而供認知用戶機會式利用頻譜。

頻譜感知技術可以分為基于干擾的檢測、主用戶信號檢測和協作檢測，目前的頻譜感知技術主要是基于主用戶發射機檢測，其頻譜感知方法主要又分為匹配濾波器檢測、能量檢測、循環平穩特征檢測三種。

1.1.1 匹配濾波器檢測

如果主用戶信號是確定性信號，那么在加性高斯白噪聲（AWGN）條件下最佳檢測器就是匹配濾波器，它可以使輸出信噪比達到最大。匹配濾波器檢測的優點是能快速度準確檢測主用戶是否存在，但是，此方法需事先知道授權用戶的信息，對授權用戶需要專門的接收器，必須定時和頻率同步。此外，計算量也較大，若先驗知識不準確，則匹配濾波器的性能會大大下降。

1.1.2 循環平穩特征檢測

通常，無線通信信號都具有循環平穩性，而噪聲和干擾則不具有這種特性，因此可以通過循環平穩特征檢測法來檢測主用戶信號是否出現。該方法能從調制信號功率中區分出噪聲能量，可以在較低的信噪比下進行檢測信號，但其計算復雜度較高。

1.1.3 能量檢測

能量檢測是最簡單、最為經典的信號檢測方法，也是目前研究的熱點。能量檢測法相對簡單、易實施，另外，它為非相干檢測，對相位同步要求低。但是，該方法在低信噪比情況下的檢測性能較差，易受噪聲不確定性的影響，且不能辨別主用戶類型。

1.2 頻譜共享

無線認知網絡的頻譜共享是指次用戶在不影響主用戶的前提下與其共享一段頻譜，是認知無線網絡的關鍵技術之一。其目標是有效管理對主用戶的干擾，并提高頻譜的機會利用率。

頻譜共享主要包括兩個方面：次用戶之間的頻譜共享以及次用戶和主用戶之間的頻譜共享，可根據架構、頻譜分配行為等因素可大致分為三類：

（1）基于網絡架構

基于網絡架構通常可分為集中式頻譜共享和分布式頻譜共享。集中式頻譜共享是由某個中心服務器根據全局信息計算和執行整體二級用戶網絡的空閑頻譜分配。每個二級用戶獨立進行頻譜感知，然后將感知到的信息發送到中心服務器，由中心服務器綜合對這些信息分配到空閑頻譜。

與集中式頻譜共享不同，分布式分配將認知終端看作是一個自治的智能體，每個認知終端根據自己獲得的頻譜信息計算和決定如何使用這些空閑頻譜，分布式分配主要應用于無中心服務器的場合。

（2）基于頻譜分配行為

基于頻譜分配行為又可分為協作式頻譜共享和非協作式頻譜共享兩類。協作式頻譜共享考慮到各節點間行為的相互影響，即每個節點都會與其它節點分享自己的感知信息；而非協作式頻譜共享則不考慮其它認知節點間的干擾。在實際應用中，協作式方案要好于非協作式方案，更接近整體性能的最優化，在一定程度上更為公平，同時也提高了吞吐量。

（3）基于接入技術

現有大部分基于接入技術研究針對認知無線電商用進行的，主要采用基于填充式共享方式，即只針對主用戶未使用頻譜下進行的，基于完全檢測信息下對主用戶的干擾最小。

1.3 動態接入

與傳統的固定頻譜分配方式不同，動態頻譜接入技術是一種動態自適應的頻譜管理方式，能更好的利用已有的低效的頻譜資源來滿足無線通信服務。動態頻譜接入方式可分為以下三種策略模型[8]：

（1）動態專用模式

動態專用頻譜管理方式保留了現有的頻譜管理策略結構，即主用戶有著對頻譜資源的獨占權；但它們不僅可以自由選擇其所使用的技術，還可以選擇其所提供的服務。

（2）開放共享模式

開放共享模式這種頻譜管理方式得益于無線通信的發展，該技術能夠使得不同的系統共存，而且相互之間不會產生嚴重的干擾，因此，不需要對頻譜資源進行獨立的授權。

（3）多層接入模式多層接入模式可以看作是動態專用模式和開放共享模式的一個折中，與動態專用和開放共享模式相比，多層接入模式更符合現有的頻譜資源管理策略和無線系統。此外，頻譜正交的接入方式與頻譜重疊相比去除了次用戶發射功率所受的嚴格限制，一定程度上提高了其信道容量和吞吐量，而且有著更廣泛的應用。

2 結束語

作為未來無線通信網絡技術的引領，無線認知網絡就有廣闊的研究前景與應用價值。本文對無線認知網絡一些關鍵問題進行了總結，從頻譜感知、頻譜共享和動態頻譜接入幾方面進行深入分析與探討。無線認知網絡將在未來的無線通信領域，以其獨特的技術優勢廣泛應用于軍事、工業、環境、醫療等各領域。

【參考文獻】

[1]王永華.楊健.無線認知傳感器網絡的研究[J].計算機科學，2011（7）：41-45.

[2]李建中.高宏. 無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發展， 2008，45 （1）：1-15.

[3]王再勵.認知無線網絡中的協作頻譜檢測技術研究[D].北京郵電大學，2011.

[4]張國偉.認知無線電網絡中頻譜感知技術研究[D].山東大學，2011.

[5]唐龍.一種新型的認知無線電網絡架構[J].計算機科學，2011（10）：326-330.

[責任編輯：薛俊歌]