試論如何提高無線電技術的應用

喬和

認知無線電技術的概念最初由JosephMitola博士于1999年在軟件無線電技術基礎上提出，主要強調通信系統的認知能力。重新配置能力是指傳輸過程中在不改變硬件組件的情況下調整工作參數的能力。雖然認知無線電技術具有獨特的優勢，但是其技術遠不夠成熟，還有很多難題需要解決，作者認為今后的研究工作應重點關注以下方面：一是由于認知無線電是動態的利用頻譜，所以加強認知無線電的靈活性十分必要，將多輸入多輸出（MIMO）技術引入認知無線電技術中，可以有效地提高認知無線電頻譜利用的靈活性；二是認知無線電技術的協議很不完善，需要設計專門的協議，比如說設計專門的路由協議用于流量控制和擁塞控制，特別是跨層協議的設計；三是認知無線電技術需要強大的重配置能力，重配置能力是指在傳輸過程中無需修改硬件部分就能調節工作參數，這種能力使得認知無線電可以很容易地適應動態的無線環境，但是目前的硬件技術還滿足不了這種需求。結合感知模塊和策略數據模塊的信息，系統對頻譜的可用性進行學習和推理。

1 認知無線電

認知無線電的主要工作包括無線頻譜分析、信道識別、發射功率控制和動態頻譜資源管理。通常前兩項任務由接收機完成，最后的任務由發射機完成，這三個任務就形成了一個認知過程。圖1是認知無線電的基本構成形式和組成部分。這幾個部分有機結合，形成一個完整的認知周期，即根據RF探測、分析，快速信道估計，動態分配空閑信道，以及信道狀態選擇合適的調制方式、傳輸速率、發射頻率等。這種學習和推理的過程可以利用模糊邏輯或者神經網絡等方法實現。最終的決策則依據上述三個模塊的輸出信息最終確定，并根據結果對無線電通信協議棧的不同層面進行配置。

2 認知無線電關鍵技術

2.1 頻譜偵聽

認知無線電技術能實現實時偵聽頻譜，以便發現“頻譜空穴”。同時為了不對主用戶造成干擾，需快速檢測到主用戶的再次出現，以便為主用戶騰出頻率帶寬。這就需要認知無線電具有頻譜偵聽功能，一般頻譜檢測可靠率要達到99.9%。由于認知無線電技術的檢測能力本身具有一定限制，加之多徑衰落和陰影衰落的影響，弱信號較難檢測。為了能夠檢測出不同類型的主用戶信號和不同等級的接收功率，相比傳統的無線電技術，認知無線電射頻前端的靈敏度、帶寬頻率捷變性能要求較高。目前公認的一種理想方案是同時考慮增強射頻前端靈敏度、利用數字信號處理增益和用戶間的合作來提高檢測能力。

2.2 動態頻譜分配

截至目前，學術界已對動態頻譜分配技術進行了大量研究工作，提出了多種動態頻譜分配算法。由于認知無線電系統中用戶對帶寬的需求、可用信道數量及用戶位置是時變的，已有的算法較難滿足要求。考慮到完全動態頻譜分配受到諸多政策、標準及接入協議的限制，目前采用認知無線電的頻譜共享技術，主要是基于頻譜統籌策略。頻譜統籌的基本思想是將一部分分配給不同業務的頻譜合并為一個公共的頻譜池，將頻譜池劃分為若干子信道。未授權用戶可以臨時占用空閑信道。動態頻譜分配可以協調和管理主用戶與認知用戶間的信道接入。文獻提出了兩種接入方案：具有控制信道的分配和無控制信道的分配，前者是只要有空閑的子信道，主用戶就選擇空閑信道而不中斷認證用戶的通信；后者是主用戶只要有需要就占用原信道，而不考慮認知用戶是否占用信道。這兩種方案在帶寬利用率和阻塞率方面差別不大，但無控制信道的分配方案的強制中斷率較高，這一問題可通過采用智能調度算法得以解決。動態頻譜分配也可用于協調多個認知用戶間的頻譜選擇，以最大化頻譜利用率。動態頻譜分配可以有效地分析動態分布式資源分配問題，通常將反映實時認知用戶交互過程的認知周期映射為一個對策模型，針對經典對策模型不包含學習過程的缺點，采用一些嵌入學習功能的改進模型對分布式動態頻譜分配算法進行分析。

2.3 功率控制

在認知無線電系統中采用分布式功率控制以擴大系統的工作范圍，每個用戶的發射功率是對其他用戶造成干擾的主要原因，因此功率控制是認知無線電系統的關鍵技術之一。博弈論和信息論是解決這一難題的主要技術。認知無線電系統的功率控制可以看成一個博弈論問題，在博弈論中，分為合作對策和非合作對策。如果不考慮非合作對策，功率控制問題可以簡化為一個最優控制問題。但完全的合作在多用戶系統中是不可能出現的，因為每個用戶都試圖將自己的功率最大化，所以功率控制應為一個非合作對策。目前主流技術是用Markov對策進行分析，Markov對策是將多步對策看作一個隨機過程，而認知無線電系統的功率控制問題，則可以看作是用Markov對策進行分析解決。

3 認知無線電的應用

3.1 在WRAN中的應

IEEE802.22的核心技術就是CR技術。依據IEEE802.22功能需求標準，WRAN空中接口面臨的主要挑戰是靈活性和自適應性。此外，相比別的IEEE標準，IEEE802.22空中接口的共存問題也很關鍵，如偵聽門限、響應時間等多種機制，還需要進行大量的研究。

3.2 在UWB中的應用

由于UWB系統與傳統窄帶系統之間存在著不可避免的干擾，將CR技術與UWB技術相結合以解決干擾問題，已成為近幾年研究的熱點，尤其是對UWB系統中基于CR的合作共存算法的研究較多。一個有效的方法是將CR機制嵌入到UWB系統中，如以跳時-脈沖位置調制為例，通過預先檢測到的干擾頻率，并相應選擇合適的跳時序列，可將UWB系統與傳統窄帶系統間的干擾減至最小。

3.3 在WLAN中的應用

具有認知功能的無線局域網（WLAN）可通過接入點對頻譜的不間斷掃描，從而識別出可能的干擾信號，并結合對其他信道通信環境和質量的認知，自適應地選擇最佳的通信信道。另外，具有認知功能的接入點在不間斷進行正常通信業務的同時，通過認知模塊對其工作的頻段以及更寬的頻段進行掃描分析，從而可盡快地發現非法惡意攻擊終端。這種技術應用在其他類型的寬帶無線通信網絡中，也會進一步提高系統的性能和安全性。

3.4 在網狀（Mesh）網中的應用

認知Mesh網絡是近幾年出現的全新的網絡結構，它具有無線多跳的網絡拓撲結構，通過中繼的方式有效地擴展網絡覆蓋范圍。由于微波頻段受限于視距傳輸，基于認知無線電技術的Mesh網絡將有利于在微波頻段實現頻譜的開放接入。

3.5 在多入多出（MIMO）系統中的應用

在無線通信許多新的研究熱點中，都有可應用認知無線電的場合。認知MIMO技術可顯著提高無線通信系統的頻譜效率，這是認知無線電技術的主要目標，故將認知無線電系統與MIMO技術結合，將能提供載波頻率和復用增益的雙重靈活性。值得關注的是，認知無線電技術不但引起了學術界的相當關注，工業界對如何將其應用于實際通信系統也產生了濃厚的興趣。關于認知無線電在未來多媒體移動通信中的應用，在此不再贅述。

總之，認知無線電技術是繼軟件無線電（SDR）之后無線通信技術的“下一件大事”，受到人們的極大關注。目前對于它的研究還處于初始階段，但在無線通信領域的發展前景十分誘人。感知模塊用于獲得多種外部激勵（無線頻譜，地理信息等），特別是針對無線頻譜環境進行檢測。系統還包含一個策略數據庫模塊，用來決定頻譜的基本利用策略，定義在某個環境下認知無線電系統的何種行為是可以接受的。這一策略數據庫模塊可以被重新配置以適應新的政策的變化。