認知無線電技術

摘要：隨著無線通信技術的發展，無線用戶的數量急劇增加，使得頻譜資源變得越來越緊張，如何充分提高無線頻譜的利用率成為亟待解決的技術問題。認知無線電技術提出了一種新的解決思路，其核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”并合理利用所發現的“空洞”的能力。雖然認知無線電技術能以更為靈活的方式來管理有限的頻譜資源，但要真正將其應用于實際通信系統還需解決包括頻譜檢測、自適應頻譜資源分配和無線頻譜管理等關鍵技術問題。

關鍵詞：無線通信；頻譜管理；認知無線電

Abstract: With the penetration of wireless communications technology， the number of wireless subscribers has increased dramatically. As a result， wireless bandwidth resources are becoming more and more limited over time. How to improve the efficiency of radio resources is a pressing problem. The cognitive radio technology brings a new idea for solving this problem. Its basic idea is to make wireless terminals have the abilities of detecting \"spectrum holes\" and making full use of them. This technology can be used to manage the valuable radio resources in a more flexible way， but for its practical use， some crucial technical problems still need to be solved， involving spectrum detection， adaptive bandwidth allocation and spectrum management technologies.

Key words: wireless communication; spectrum management; cognitive radio

基金項目：國家“863”計劃項目(2005AA123910)

摘要：隨著無線通信技術的發展，無線用戶的數量急劇增加，使得頻譜資源變得越來越緊張，如何充分提高無線頻譜的利用率成為亟待解決的技術問題。認知無線電技術提出了一種新的解決思路，其核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”并合理利用所發現的“空洞”的能力。雖然認知無線電技術能以更為靈活的方式來管理有限的頻譜資源，但要真正將其應用于實際通信系統還需解決包括頻譜檢測、自適應頻譜資源分配和無線頻譜管理等關鍵技術問題。

關鍵詞：無線通信；頻譜管理；認知無線電

Abstract: With the penetration of wireless communications technology， the number of wireless subscribers has increased dramatically. As a result， wireless bandwidth resources are becoming more and more limited over time. How to improve the efficiency of radio resources is a pressing problem. The cognitive radio technology brings a new idea for solving this problem. Its basic idea is to make wireless terminals have the abilities of detecting \"spectrum holes\" and making full use of them. This technology can be used to manage the valuable radio resources in a more flexible way， but for its practical use， some crucial technical problems still need to be solved， involving spectrum detection， adaptive bandwidth allocation and spectrum management technologies.

Key words: wireless communication; spectrum management; cognitive radio

1 認知無線電技術提出的背景

隨著無線通信技術的飛速發展，頻譜資源變得越來越緊張。尤其是隨著無線局域網(WLAN)技術、無線個人域網絡(WPAN)技術的發展，越來越多的人通過這些技術以無線的方式接入互聯網。這些網絡技術大多使用非授權的頻段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN無線通信業務的迅猛發展，這些網絡所工作的非授權頻段已經漸趨飽和。而另外一些通信業務(如電視廣播業務等)需要通信網絡提供一定的保護，使他們免受其他通信業務的干擾。為了提供良好的保護，頻率管理部門專門分配了特定的授權頻段(LFB)以供特定通信業務使用。與授權頻段相比，非授權頻段的頻譜資源要少很多(大部分的頻譜資源均被用來做授權頻段使用)。而相當數量的授權頻譜資源的利用率卻非常低。于是就出現了這樣的事實：某些部分的頻譜資源相對較少但其上承載的業務量很大，而另外一些已授權的頻譜資源利用率卻很低。因此，可以得出這樣的結論：基于目前的頻譜資源分配方法，有相當一部分頻譜資源的利用率是很低的。

為了解決頻譜資源匱乏的問題，基本思路就是盡量提高現有頻譜的利用率。為此，人們提出了認知無線電的概念。認知無線電的基本出發點就是：為了提高頻譜利用率，具有認知功能的無線通信設備可以按照某種“伺機(Opportunistic Way)”的方式工作在已授權的頻段內。當然，這一定要建立在已授權頻段沒用或只有很少的通信業務在活動的情況下。這種在空域、時域和頻域中出現的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”并合理利用的能力。

當非授權通信用戶通過“借用”的方式使用已授權的頻譜資源時，必須保證他的通信不會影響到其他已授權用戶的通信。要做到這一點，非授權用戶必須按照一定的規則來使用所發現的“頻譜空洞”。在認知無線電中，這樣的規則是以某種機器可理解的形式(如XML語言)加載到通信終端上。由于這些規則可以隨時根據頻譜的利用情況、通信業務的負荷與分布等進行不斷的調整，因此通過這些規則，頻譜管理者就能以更為靈活的方式來管理寶貴的頻譜資源。

2 認知無線電的歷史和概念

從以上介紹可以看出，為了提高頻譜利用率，可以充分利用檢測到的“頻譜空洞”。這是認知無線電技術的一項應用。但是，作為一個全新概念提出的認知無線電，其涵蓋面則更為廣泛。認知無線電的基本定義可歸納為^[1]：認知無線電(Cognitive Radio)是可以感知外界通信環境的智能通信系統。認知無線電系統通過學習，不斷地感知外界的環境變化，并通過自適應地調整其自身內部的通信機理來達到對環境變化的適應。這樣的自適應調整一方面是為了改進系統的穩定性，另一方面是為了提高頻譜資源的利用率。由此可以總結出認知無線電所具有的特點是：

●對環境的感知能力

●對環境變化的學習能力

●對環境變化的自適應性

●通信質量的高可靠性

●對頻譜資源的充分利用

●系統功能模塊的可重構性

認知無線電是由MITRE公司的顧問、瑞典皇家技術學院Joseph Mitola博士生和GERALD Q MAGUIRE， JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上明確提出的^[2]，是對軟件無線電的進一步的擴展。認知無線電采用無線電域的基于模型的方法對控制無線電頻譜使用的規則(如射頻頻段、空中接口、協議以及空間和時間模式等)進行推理，通過無線電知識表示語言(RKRL)^[3]，表述無線電規則、設備、軟件模塊、電波傳播特性、網絡、用戶需求和應用場景的知識，以增強個人業務的靈活性，使軟件無線電技術能更好地滿足用戶需求。

盡管沒有成熟的認知無線電的標準和法規，但無線業界的強烈感覺是認知無線電將成為下一波有沖擊性的技術革新浪潮。IEEE于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作組——無線區域網絡(WRAN)工作組，計劃2007年下半年完成標準化工作。其目的是研究基于認知無線電的物理層、媒體訪問控制(MAC)層和空中接口，以無干擾的方式使用已分配給電視廣播的頻段。將分配給電視廣播的甚高頻/超高頻(VHF/UHF)頻帶(北美為54 MHz～862 MHz)的頻率用作為寬帶接入頻段。

美國聯邦通信委員會(FCC)2003年12月就相當于美國《電波法》的《FCC規則第15章(FCC rulePart15)》，公布了修正案，明確只要具備認知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現有無線頻帶。FCC在推進智能無線技術的同時還將放寬有關限制。

針對認知無線電，美國國防部提出下一代無線通信(XG)的項目，2004年該項目進入第三個研究階段，投資1 700萬美元，預計在2006年底完成第三階段的研究。該項目將研制和開發頻譜捷變無線電(Spectrum Agile Radios)，這些無線電臺在使用法規的范圍內，可以動態自適應變化的無線環境，在不干擾其他正常工作無線電臺的前提下，可以使接入的頻譜范圍擴大近10倍。

3 認知無線電的應用場景

考慮一個工作在非授權頻段(如免授權國家信息基礎設施頻段)的無線通信終端(遵循Wi-Fi規范)。在其工作的免授權國家信息基礎設施(U-NII)頻段，通信業務非常繁忙(近乎達到飽和狀態)。這樣的工作頻段已無法滿足其他通信終端新的業務請求。鑒于這種情況，頻譜管理機構(如FCC)將選擇利用率較低的其他已授權頻段(如電視廣播頻段中若干未被使用的頻譜資源)。這樣的頻段可以被暫時用來支持非授權頻段上那些未能接入其系統的通信業務。為此，頻譜管理機構將生成一套使用已授權頻段的法規(這些法規將指導并約束著非授權用戶去合理地使用授權頻段)。這些法規由頻譜管理機構以某種機器可以理解的方式發布。

具有認知無線電功能的非授權用戶定期地搜索并下載相應的頻譜使用法規。獲得最新的頻譜使用法規之后，非授權用戶將根據這些法規，對自身的通信機制進行調整(通信機制可能包括：工作的頻段、發射功率、調制解調方式以及多址接入策略等)。為了使周邊的通信終端盡快獲得更新了的法規，獲得最新法規的終端還將其所獲得的法規廣播出去。當然，對那些不具備認知無線電能力的通信終端來說，這樣的廣播信息將被忽略。

對于具有認知能力的通信終端，除了獲得最新的頻譜使用規則外，另外一項很重要的工作就是完成對“頻譜空洞”的檢測。對“頻譜空洞”的檢測實際上就是完成對周邊通信環境的認知。根據檢測到的“頻譜空洞”的特性(如“空洞”的帶寬等)和獲得的頻譜使用法規，通信終端產生出合理使用該“空洞”的具體行為。

以工作在非授權頻段的無線局域網通信終端為例，可以說明認知無線電的可能的應用場景。當然，從認知無線電的定義可以看出認知無線電的概念涵蓋面極寬，其應用場景絕不僅限于此。

認知無線電技術在寬帶無線通信系統中有著廣泛的用途。基于IEEE 802.11b/g和IEEE 802.11a的無線局域網設備工作在2.4 GHz和5 GHz的不需授權的頻段上。然而在這個頻段上，可能受到包括藍牙設備、HomeRF設備、微波爐、無繩電話以及其他一些工業設備的干擾。具有認知功能的無線局域網可以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，在不間斷正常通信業務進行的同時，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，從而可以盡快地發現非法的惡意攻擊終端。這樣的技術可以進一步增強通信網絡的安全性。同樣，將這樣的認知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。

4 認知無線電的關鍵技術

4.1 頻譜檢測技術

認知無線電技術能夠感知并分析特定區域的頻段，找出適合通信的“頻譜空洞”，利用某些特定的技術和處理，在不影響已有通信系統的前提下進行工作。因而，從認知無線電工作流程上可以看到(如圖1所示)，為了在某個地域上應用認知無線電技術，最先進行的工作是對該地無線信道環境的感知，即頻譜檢測和“空洞”搜尋與判定。

如果將待查的頻段分為3種不同的情況：黑空，存在高功率的干擾；灰空，存在低功率的干擾；白空：僅存在環境噪聲量，包括熱噪聲、瞬時反射、脈沖噪聲等。那么頻譜檢測的任務就是查找適合認知無線電業務的白空，同時對工作頻段在黑空(或灰空)和白空之間的轉變進行監測。

在認知無線電技術中，進行頻譜檢測即對所觀察的頻段進行干擾溫度的估計。干擾溫度可以看作是頻段內的干擾功率譜密度，它的設定是用來量化和管理無線環境中的干擾問題。針對經過譜估計得到的干擾溫度，可以給出干擾溫度界限。通過干擾溫度界限可以對觀測的“頻譜空洞”進行選擇，超過界限的干擾或其他噪聲都是不符合通信要求的頻譜。

通常在接收端進行干擾溫度的測量，并搜尋“頻譜空洞”，將獲得的信息通過系統預設的反饋信道傳送至發送端，并據此進行發射功率控制處理和動態頻譜管理；在發射端和接收端也可以采用自適應的波束成型技術，進一步補充的干擾控制。

在認知無線電感知無線環境的工作中，如何進行高效的無線頻譜估計和分析是關鍵技術之一。頻譜分析是一項相對比較成熟的數字信號處理技術，經過了多年的發展，形成了眾多各具特色的算法和理論。在認知無線電技術中，可以利用這些已有的算法進行無線環境的觀測。當然，由于認知無線電的特殊性質，需要在一定通信區域空間領域、較寬的頻域、以及時域進行頻譜分析，這就要求對眾多頻譜分析算法進行合適的選取和改動。

認知無線電技術中通常采用的頻譜分析算法是多窗譜估計算法。該算法使用多個離散扁球體序列作為正交窗函數。經過這種窗函數濾波后的信號在有限采樣點時的傅氏變換具有極佳的能量集中特性，是一種接近最優的方法。這種特性使得在降低頻譜估計的方差時不會影響估計的偏差，因而具有較好的計算性能和應用價值。

在認知無線電領域進行干擾溫度估計時，為了能夠更好地感知待測區域內的干擾溫度，在頻譜分析算法中引入了空間的概念，通常會用大量的傳感器分布在該區域內，進行無線信號的接收。這些傳感器可以是指專門設置的接收天線，也可以是認知無線電系統的各個無線用戶終端。通過這些傳感器進行無線環境的探測，可以區分無線信號在空間上的不同和差異。針對來自多個傳感器測量得到的多組接收信號，經過恰當的頻譜分析算法，即可得到對應于特定空間、時間和頻段的干擾溫度估計值。將該干擾溫度估計量和設定的干擾溫度門限比較，若在連續的幾個時段內均小于門限要求，即可認為出現了“頻譜空洞”。

在認知無線電中，頻譜檢測技術不僅僅在“頻譜空洞”的搜尋和判定中起關鍵作用，在系統的通信過程中，它還需要負責頻譜狀態的實時監測。對頻譜的監測一方面可以搜集無線環境的統計資料，為高層的頻譜管理提供輔助；另一方面進行的實時干擾溫度估計為系統的發射端進行功率控制提供必要的參數支持。在某些情況下，監測頻譜也能夠比較準確地判定射頻信號碰撞事件，使認知無線電系統能夠盡快進行主動退避，避免過多地影響原有授權用戶的通信。

4.2 自適應頻譜資源分配技術

為了解決頻譜資源的日益緊張和目前固定分配頻譜利用率較低的矛盾，就要求找到更有效的方法來充分感知和利用無線頻譜資源。基本途徑有兩條：其一，提高頻譜利用率，將已授權用戶的頻譜資源充分利用，減少浪費；其二，提高系統通信效率，將已獲得的頻率資源和其他資源綜合優化分配，進而提高利用率。

由于正交頻分復用(OFDM)系統是目前公認的比較容易實現頻譜資源控制的傳輸方式，該調制方式可以通過頻率的組合或裁剪實現頻譜資源的充分利用，可以靈活控制和分配頻譜、時間、功率、空間等資源，自適應頻譜資源分配的關鍵技術主要有：載波分配技術、子載波功率控制技術、復合自適應傳輸技術。

(1)載波分配技術

認知無線電具有感知無線環境的能力。通過對干擾溫度的測量，可以確定“頻譜空洞”。子載波分配就是根據用戶的業務和服務質量要求，分配一定數量的頻率資源。檢測到的“空洞”資源是不確定的，帶有一定的隨機性。OFDM系統具有裁剪功能，通過子載波(子帶)的分配，將一些不規律和不連續的頻譜資源進行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶，實現資源的合理分配和利用。

(2)子載波功率控制技術

認知無線電中利用已授權頻譜資源的前提是不影響授權用戶的正常通信。為此，非授權用戶必須控制其發射功率，避免給其他授權用戶造成干擾。功率控制算法在經典的“注水”算法的基礎上，有一系列的派生算法。這些算法追求的是功率控制的完備性和收斂性，既要不造成干擾又要使認知無線電有較好的通過率，且達到實時性的要求。事實上功率控制算法和子載波分配算法是密不可分的。這是因為在判斷某子載波是否可以使用時，就要對其歷史(授權狀況)和現狀(空間距離、衰落)做出判斷，同時還需要計算出可分配的功率大小。

(3)復合自適應傳輸技術

該技術將OFDM和認知無線電思想以及一系列自適應傳輸技術結合，從而達到無線電資源的合理分配和充分利用。為了尋求保證服務質量和最大通過率下的最佳工作狀態，需綜合應用動態子載波分配技術、自適應子載波的功率分配技術、自適應調制解調技術以及自適應編碼技術等一系列自適應技術，形成優化的自適應算法。根據子載波的干擾溫度，通過自適應地調整通信終端的工作參數，從而達到最佳工作狀態。設計合理的自適應傳輸技術可以大幅提高頻譜資源利用率和通信性能。

4.3 認知無線電下的頻譜管理

具有認知無線電功能的無線用戶在非授權狀況下使用頻率，必將引起無線電管理部門的注意，并且必定會力求將這種對頻率的使用納入其管理之下。從提高頻譜利用效率的角度出發，不應該壓制基于認知功能的非授權頻譜使用。好的解決方法是改變頻譜管理思想和頻譜管理規則，使其適應用戶的需求和技術的發展。

有研究者提出對頻譜劃分的新設想：依照頻譜應用狀況以及干擾的影響，對頻譜劃分3個等級：嚴格分配管理(不可干擾)、在一定程度上可供非授權使用(可有一定干擾)、無限制的非授權使用。在現階段，絕大多數頻譜為第一等級，即按照嚴格分配來進行管理，因而頻譜利用率較低。新的頻譜管理思想和規則應該使第一等級頻譜所占的范圍縮小，第二和第三等級頻譜所占的范圍擴大，以此來提高頻譜利用率。這樣將頻譜分為3部分，第一部分非授權用戶不可占用，第二部分可適當占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是認知無線電可利用的頻譜。目前各種基于認知無線電的頻譜管理思想和管理規則仍在研究之中。

5 結束語

認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”并合理利用所發現的“空洞”的能力。值得指出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。有報道稱具有認知功能的無線局域網產品將在近一兩年內問世。但是要真正實現認知無線電技術還需解決包括頻譜檢測技術、自適應頻譜資源分配技術和無線頻譜管理技術等關鍵技術問題。

6 參考文獻

[1] Haykin S. Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2005，23(2):201-220.

[2] Mitola J， Maquire G Q Jr. Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal[J]. IEEE Personal Communications， 1999，6(4):13-18.

[3] Mitola J. Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[R]. Stockholm， Sweden: Royal Institute of Technology (KTH)， 2000.

收稿日期：2006-01-16

作 者 簡 介

李波，西安電子科技大學畢業，博士。西安電子科技大學通信工程學院副教授，從事無線通信網絡技術的教學與科研工作。已在國內外相關學術期刊上發表論文10余篇，其中被SCI收錄7篇。

劉勤，西安電子科技大學畢業，博士。西安電子科技大學通信工程學院教師，主要研究方向為移動通信技術、認知無線電技術、MIMO傳輸技術與空時編碼技術等。已在國內核心期刊和國際會議上發表論文10余篇。

李維英，西安電子科技大學通信工程學院教授，碩士生導師，主要研究方向為移動通信技術、無線通信技術。