淺析無線電現在與未來

張秘

【摘要】認知無線電（Cognitive Radio，CR）是一種新興的智能無線通信技術，它通過頻譜感知、功率控制和頻譜管理、頻譜共享、頻譜切換等關鍵技術，實現在不對授權用戶正常通信造成影響的前提下，伺機接入授權用戶合法頻段，實現動態頻譜接入。緩解了頻譜資源不足的問題，因而成為目前無線通信領域的研究熱點。

【關鍵詞】認知無線電；動態頻譜接入；博弈論；納什均衡；代價函數

一、緒論

第一節 認知無線電技術研究背景

認知無線電技術本質上是一種疊加方案，它利用法定無線通信系統的空閑資源，在對法定無線通信系統不造成嚴重干擾的情況下共存，并可以與各種傳輸方案協調工作，是一種近期可行的技術方案。它能夠根據一定的學習和決策算法，實時自適應地改變系統工作參數，動態地檢測和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率、以及空間上進行多維的頻譜復用，所以認知無線電將推動無線通信的迅猛發展。

二、認知無線電的定義和相關術語

1.Joseph Mitola的定義

認知無線電這個概念是由Joseph Mitola博士于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上發表文章明確提出的[1]。在Mitola博士的論文中將認知無線電定義為“一種采用基于模式的推理達到特定無線相關要求的無線電”。

2.FCC的定義

不同的研究機構從不同的角度給出了CR的定義，比較有代表性的是FCC的定義。FCC認為“認知無線電是指通過與工作環境進行交互，能夠改變發射機參數的無線電設備。認知無線電主體可能是軟件定義的無線電設備（Software Defined Radios，SDR），但設備本身并不必一定具有軟件或現場可編程的要求[2]。”

3.Simon Haykin的定義

除了研究機構外不同的學者也給出了對CR的定義，其中有代表性的就是Simon Haykin教授的定義。Simon Haykin從信號處理的角度出發，認為“認知無線電是一個智能的無線通信系統。它能夠感知外界環境，并使用人工智能技術從環境中學習，通過實時的改變某些操作參數（比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等），使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計性變化。

二、認知無線電的功能特性

從上述定義看出，CR應該具備以下兩個主要特性：

1.認知能力

認知能力即在任何時間和地點識別未被使用的頻譜資源的能力；指的是無線電能夠從它所處的無線環境中捕捉和感知相關信息。通過這種認知能力。

2.重構能力

重構特性使CR設備可以根據無線環境動態編程，功率或者調制方式避免對主用戶的有害干擾。

三、傳統無線電、軟件無線電和認知無線電的關系

認為對于傳統的模擬無線電系統，其射頻部分、上 /下變頻、濾波及基帶處理全部采用模擬方式，某個頻段、某種調制方式的通信系統都對應專門的硬件結構；與傳統無線電系統相比，并在此基礎上改變其功率、頻率、調制以及一些其它的參數以求更高的頻帶利用率，即確定繞過障礙的最佳傳輸路徑。

四、認知無線電的物理結構

基帶處理系統與現存的一般無線電收發器是相似的，這種功能與射頻硬件技術如多頻帶天線、功率放大器、自適應濾波器緊密相關。

由于CR收發器前端設備使得收發器具備感知與自動轉換頻段的功能，它包括：

① 射頻濾波器（RF Filter）：用來選取接收信號中某頻帶的信號。

② 低噪聲放大器（LNA）：用來減少噪聲分量，放大信號分量。

③ 混合器（Mixer）：用來使接收信號與本地載波相乘得到一個基帶信號。

④ 鎖相環（PLL）：用來確保信號鎖定在一個特定的頻率。

⑤ 信道選擇濾波器（Channel Selection Filter）：它是CR的關鍵部件，來選擇期望的信道。

⑥ 自動增益控制（AGC）：用來保持輸出放大器信號的功率水平穩定在一定的范圍內。

第二節 認知無線電技術國內外研究現狀及應用

一、認知無線電技術國內外研究現狀

目前，對認知無線電系統的研究已經受到了國內外的廣泛關注，很多研究機構和組織積極投入到對該技術的研究中，比較有代表性的研究項目主要包括：

1.加州大學伯克利分校的CORVUS系統

2.DARPA XG項目

3.歐洲的DRIVE/over DRIVE項目

4.歐洲的歐盟的E2R項目

5.IEEE 802.22標準

6.端到端效率（End to End Efficiency，E3）項目

7.頻譜池（Spectrum Pooling）

8.國家高技術研究發展計劃（863計劃）

第三節 認知無線電的關鍵技術

認知無線電的網絡結構有集中式、分布式和“集中+分布式”3種類型，它通過頻譜自適應技術來實現動態頻譜分配。根據認知無線電系統必須具備的基本功能，如何實現這些功能也就成為認知無線電的關鍵技術。

1.頻譜檢測技術

2.位置感知技術

3.鏈路保持技術

4.動態頻譜管理技術

5.其它關鍵技術

第四節 認知無線電研究的意義和內容

一、研究意義

當前日益稀缺的頻譜資源已成為制約無線通信也發迅速發展的重要因素，無線頻譜接入技術已成為新一代無線移動通信的核心技術。權用戶即主用戶的前提下智能地利用空閑頻譜，因此研究認知無線電環境下的動態頻譜接入尤為重要。

二、研究內容

認知無線電技術利用頻譜空洞進行通信，未授權用戶可以在授權用戶空閑的時候使用其頻譜，在授權用戶需要時再騰出相應使用的授權頻譜。通過利用信道分配、功率控制、干擾避免和機會調度等方法，尋找某種頻譜接入策略或算法來合理利用空閑頻譜，達到以下一個或多個目標：

① 提高頻譜利用率；

② 通信開銷小；

③ 避免干擾擾；

④ 體現公平性；

⑤ 算法簡單。