認知無線電：原理、技術與發展趨勢

摘要：認知無線電是指具有自主尋找和使用空閑頻譜資源能力的智能無線電技術。認知無線電技術的提出，為解決不斷增長的無線通信應用需求與日益緊張的無線頻譜資源之間的矛盾提供了一種有效的解決途徑。當前，認知無線電技術從理論到實踐都面臨很多困難。文章簡述了認知無線電的基本原理，對認知無線電涉及的射頻、頻譜感知和數據傳輸等物理層核心關鍵技術進行了總結分析，并結合當前的發展狀況對該技術未來的發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：認知無線電；頻譜感知；數據傳輸；網絡體系與協議

Abstract: Cognitive Radio (CR) is an intelligent radio technology which has the capability to search and utilize underutilized spectrum resources. CR has been recognized as an effective solution to the dilemma introduced by the rapid growth of wireless communications and the scarcity of spectrum resources. However， from theory to practical applications， there are many challenges faced by CR currently. In this paper， the key physical layer techniques of CR， such as radio frequency front-end， spectrum sensing and data transmission， are discussed. According to the status of the research， the development tendency of this technology is also predicted.

Key words: cognitive radio; spectrum sensing; data transmission; network architecture and protocol

隨著無線通信需求的不斷增長，對無線通信技術支持的數據傳輸速率的要求越來越高。根據香農信息理論，這些通信系統對無線頻譜資源的需求也相應增長，從而導致適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無線通信發展的新瓶頸。另一方面，已經分配給現有很多無線系統的頻譜資源卻在時間和空間上存在不同程度的閑置。因此，人們提出采用認知無線電(CR)技術，通過從時間和空間上充分利用那些空閑的頻譜資源，從而有效解決上述難題。

這一思想在2003年美國聯邦通信委員會(FCC)的《關于修改頻譜分配規則的征求意見通知》中得到了充分體現，該通知明確提出采用CR技術作為提高頻譜利用率的技術手段。此后，CR技術受到了產業界和學術界的廣泛關注，成為了無線通信研究和市場發展的新熱點。然而，CR技術從理論到大規模實際應用，還面臨很多挑戰。這些挑戰包括了技術、政策和市場等諸多方面。本文從技術的角度，總結分析CR的基本原理、關鍵技術，并對將來技術發展趨勢進行預測。

1 認知無線電基本原理

1.1 認知無線電的概念與特征

自1999年“軟件無線電之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系統地闡述了CR的基本原理以來，不同的機構和學者從不同的角度給出了CR的定義[1-3]，其中比較有代表性的包括FCC和著名學者Simon Haykin教授的定義。FCC認為：“CR是能夠基于對其工作環境的交互改變發射機參數的無線電”[4]。Simon Haykin則從信號處理的角度出發，認為：“CR是一個智能無線通信系統。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，以達到以下目的：任何時間任何地點的高度可靠通信；對頻譜資源的有效利用。”

總結上述定義，CR應該具備以下2個主要特征：

(1) 認知能力

認知能力使CR能夠從其工作的無線環境中捕獲或者感知信息，從而可以標識特定時間和空間的未使用頻譜資源(也稱為頻譜空洞)，并選擇最適當的頻譜和工作參數。這一任務通常采用圖1所示的認知環進行表示，包括3個主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監測可用頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析估計頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性；頻譜判決根據頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數據。

(2) 重構能力

重構能力使得CR設備可以根據無線環境動態編程，從而允許CR設備采用不同的無線傳輸技術收發數據。可以重構的參數包括：工作頻率、調制方式、發射功率和通信協議等。

重構的核心思想是在不對頻譜授權用戶(LU)產生有害干擾的前提下，利用授權系統的空閑頻譜提供可靠的通信服務。一旦該頻段被LU使用，CR有2種應對方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續使用該頻段，但改變發射統率或者調制方案避免對LU的有害干擾。

1.2 認知無線電與軟件無線電之間

的關系

為了便于理解CR的基本原理，有必要將CR與軟件無線電(SDR)進行區分。根據電子與電氣工程師協會(IEEE)的定義，一個無線電設備可以稱為SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號處理通過使用數字信號處理軟件完成；這些軟件可以在出廠后修改[5-11]。

因此，SDR關注的是無線電系統信號處理的實現方式；而CR是指無線系統能夠感知操作環境的變化，并據此調整系統工作參數。從這個意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號處理，還包括根據相應的任務、政策、規則和目標進行推理和規劃的高層功能。

2 認知無線電物理層關鍵技術

通用的CR收發機結構如圖2所示，結合前文關于CR基本原理的討論，可以發現，CR物理層的關鍵技術包括：寬帶射頻前端技術、頻譜感知技術和數據傳輸技術。

2.1 寬帶射頻前端技術

為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調諧到大頻譜范圍內的任意頻帶。通用的寬帶射頻前端結構如圖3所示，接收的信號通過放大、混頻和A/D轉換等步驟后送入基帶處理，進行頻譜感知或數據檢測。其中，射頻濾波器通過通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號；低噪放大器(LNA)在放大所需信號的同時最小化噪聲；鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和混頻器聯合控制，將所需要的接收信號轉換到基帶或者中頻處理；信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾；自動增益控制(AGC)維持很寬的動態范圍內的輸入信號經放大器的輸出功率恒定。

針對CR應用，寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動態范圍內檢測弱信號。為此，需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A/D轉換器，并且要求超過12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過陷波濾波器濾出強信號，降低信號的動態范圍；或采用智能天線技術，通過空域濾波來實現強信號濾出。

2.2 頻譜感知技術

頻譜感知技術是CR應用的基礎和前提。現有的頻譜感知技術可以按照圖4進行分類。單節點感知是指單個CR節點根據本地的無線射頻環境進行頻譜特性標識；而協同感知則是通過數據融合，基于多個節點的感知結果將進行綜合判決。

單節點感知技術包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種，其比較如表1所示。由于這些方法各有優缺點，實際應用時通常結合使用。

檢測算法適用范圍優點缺點匹配濾波CR節點知道授權用戶信號的信息檢測時間短需要先驗信息能量檢測CR節點不知道授權用戶的信號信息實現簡單，不需要先驗信息受噪聲不確定性影響，不能區別信號類型，檢測時間長周期特性檢測CR用戶信號具有周期自相關特性可以區別噪聲和信號類型計算復雜度高認知無線電要求頻譜感知能夠準確地檢測出信噪比(SNR)大于某一門限值的授權用戶信號，通常這個SNR的門限值是很低的，對于單節點感知來說，要達到這個要求并不容易。

為此，人們提出協同頻譜感知，通過檢測節點間的協作達到系統要求的檢測門限，從而降低對單個檢測節點的要求，降低單個節點的負擔。協同頻譜感知的另一個優點是可以有效的消除陰影效應的影響。協同感知可以采用集中或者分布式的方式進行。集中式協同感知是指各個感知節點將本地感知結果送到基站（BS）或接入點（AP）統一進行數據融合，做出決策；分布式協同感知則是指個節點間相互交換感知信息，各個節點獨自決策。影響協同頻譜感知的關鍵因素除了參與協同的單節點的感知性能外，還包括網絡拓撲結構和數據融合方法；另外，在協同頻譜感知中，不同感知節點的相關性和單個節點的不可靠性也會對頻譜感知的性能產生重要影響。

隨著FCC引入干擾溫度模型來測量干擾，也有人提出通過測量干擾溫度進行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節點知道授權用戶的位置，目前尚面臨很多問題。

2.3 數據傳輸技術

數據傳輸技術對于CR實現利用空閑頻譜進行通信，從而整體上提高頻譜利用率的主要目標非常關鍵。由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍，并且不連續，因此CR數據傳輸技術必需能夠適應可用頻譜的這一特性。

目前，實現頻譜自適應CR數據傳輸有2個基本途徑：采用多載波技術或采用基帶信號發射波形設計。

在多載波傳輸技術中，正交頻分復用(OFDM)是最佳候選技術。如圖5所示，其基本思想是將可用整個頻帶劃分成OFDM子載波，只利用沒有被授權用戶占用的子載波傳輸數據，構成所謂的非連續OFDM(NC-OFDM)。子載波的分配則通過頻譜感知和判決的結果，以分配矢量的方式實現。例如，在進行OFDM調制時，可以將已被授權用戶占用的子載波置零，從而避免對授權用戶產生干擾。同時，考慮到頻譜滲漏的問題，還有必要留出足夠的保護子載波。同時，由于很多子載波并沒有使用，可以通過一些快速傅立葉變換(FFT)修剪算法降低系統實現的復雜度。

OFDM技術的重要優點是實現靈活，但也面臨同步、信道估計以及高峰平比的問題。為此，也可以通過在時、頻或者碼域設計特殊的發射波形，生成滿足特定頻譜形狀的發射信號。例如，在頻域合成波形的變換域通信系統(TDCS)、設計特殊擴頻碼片的擾測量法/碼分多址(CI/CDMA)技術、以及跳碼/碼分多址(CH/CDMA)技術等。雖然這些技術不如OFDM實現靈活，但在初始接入、收發雙方不知道對方可用頻譜特性時仍然有用。

3 認知無線電發展現狀與趨勢

當前，認知無線電技術已經得到了學術界和產業界的廣泛關注。很多著名學者和研究機構都投入到認知無線電相關技術的研究中，啟動了很多針對認知無線電的重要研究項目。例如：德國Karlsruhe大學的F. K. Jondral教授等提出的頻譜池系統、美國加州大學Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究組開發的COVUS系統、美國Georgia理工學院寬帶和無線網絡實驗室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項目、美國軍方DARPA的XG項目、歐盟的E2R項目等。在這些項目的推動下，在基本理論、頻譜感知、數據傳輸、網絡架構和協議、與現有無線通信系統的融合以及原型開發等領域取得了一些成果。IEEE為此專門組織了兩個重要的國際年會IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流這方面的成果，許多重要的國際學術期刊也通過將刊發關于認知無線電的專輯。目前，最引人關注的是IEEE 802.22工作組的工作，該工作組正在制定利用空閑電視頻段進行寬帶無線接入的技術標準，這是第一個引入認知無線電概念的IEEE技術標準化活動。

結合上述認知無線電技術的現狀，預計認知無線電未來會沿著以下幾個方面發展：

基本理論和相關應用的研究，為大規模應用奠定堅實的基礎。比較重要的包括：認知無線電的信息論基礎和認知無線電網絡相關技術，例如：頻譜資源的管理、跨層聯合優化等等。

試驗驗證系統開發。目前，已經有多個試驗驗證系統正在開發中，這些系統的開發成功，將為驗證認知無線電的基本理論、關鍵技術提供測試床，推動其大規模應用。

與現有系統的融合。雖然目前認為認知無線電的應用應該不要求授權用戶作任何改變，但如果授權用戶和認知無線電用戶協同工作，將會便于實現并提高效率。目前，已經有一些研究工作在考慮將認知無線電集成到現有無線通信系統的方法，并取得了一些初步成果。預計未來這方面將會有大量的需求。

4 結束語

認知無線電的提出，為從根本上解決日益增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源之間的矛盾開辟了一條行之有效的解決途徑，是未來無線通信產業的發展方向，正逐漸通過標準化進入產業領域。然而，認知無線電技術從概念到應用尚面臨很多挑戰，尤其是許多關鍵技術需要突破，這也使其成為了近年來無線通信研究的熱點。

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收稿日期：2007-03-20