淺談通信系統(tǒng)中的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

萬(wàn)寧坤

德國(guó)的卡爾斯魯爾大學(xué)（Uni.Karlsruhe）的F.K.Jondral教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究組對(duì)頻譜池系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。研究應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在OFDM無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與GSM網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源動(dòng)態(tài)共享。中心思想是將授權(quán)系統(tǒng)未充分利用的頻譜資源集中起來(lái)構(gòu)建一個(gè)頻譜池，作為動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的備用資源，由一個(gè)實(shí)體統(tǒng)一管理資源的分配[4]。

2）美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校研究組開(kāi)發(fā)的CORVUS系統(tǒng)

CORVUS系統(tǒng)中，認(rèn)知用戶(hù)被分成不同的組，組內(nèi)的認(rèn)知用戶(hù)通信可以采用中心式的結(jié)構(gòu)，也可采用分布式的結(jié)構(gòu)，存在兩種通信通道，一種是信令控制通道，用來(lái)建立新認(rèn)知用戶(hù)的連接；另一種是組內(nèi)認(rèn)知用戶(hù)通信信道，用于各SU交換頻譜感知信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等[5]。

3）歐洲的E2R項(xiàng)目

研究通過(guò)端到端重配置網(wǎng)絡(luò)和軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)將未來(lái)不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合起來(lái)，為用戶(hù)、服務(wù)提供商、管理者提供更多可選服務(wù)的系統(tǒng)。E2R項(xiàng)目通過(guò)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃管理、高級(jí)頻譜管理及聯(lián)合資源管理這三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的目標(biāo)[6]。

4）Defense Advanced Research Projects Agency XG項(xiàng)目

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署也開(kāi)展了CR技術(shù)研究，資助的下一代XG項(xiàng)目主要開(kāi)發(fā)提供擇機(jī)頻譜接入的技術(shù)和開(kāi)發(fā)通過(guò)靈活的政策應(yīng)用管理無(wú)線(xiàn)行為關(guān)鍵方面的長(zhǎng)期管理框架。主要目標(biāo)是使得美國(guó)軍用通信設(shè)備可以檢測(cè)環(huán)境變化，并根據(jù)對(duì)環(huán)境的檢測(cè)結(jié)果來(lái)選擇可用頻譜。

5）IEEE802.22工作組

該工作組研究包括感知無(wú)線(xiàn)電在內(nèi)的頻譜管理政策。IEEE 802.22技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在無(wú)線(xiàn)區(qū)域內(nèi)的具體應(yīng)用。它的特點(diǎn)是VHF/UHF頻段內(nèi)，不干擾授權(quán)用戶(hù)的情況下，靈活、自適應(yīng)的頻譜的合理配置。在IEEE 802.22系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)授權(quán)用戶(hù)保護(hù)，提出工作信道內(nèi)和工作信道內(nèi)感知機(jī)制[7]。

與國(guó)外相比，中國(guó)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)雖然起步較晚，但也受到了社會(huì)各界的高度重視。北京郵電大學(xué)是中國(guó)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究得最多和最早的機(jī)構(gòu)，另外電子科大、浙江大學(xué)、清華大學(xué)等很多學(xué)校也對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)有深入的研究。

2.關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的最大優(yōu)勢(shì)就是無(wú)線(xiàn)用戶(hù)可以通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)“頻譜共享”，其核心思想是通過(guò)檢測(cè)哪些頻譜處于空閑狀態(tài)，在不影響授權(quán)用戶(hù)的前提下智能地選擇和利用這些空閑頻譜，從而提高頻譜的利用率。下面對(duì)CR的關(guān)鍵技術(shù)做一簡(jiǎn)要陳述[8]。

2.1.1 頻譜檢測(cè)

頻譜檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)頻譜自適應(yīng)、乃至動(dòng)態(tài)頻譜共享的關(guān)鍵點(diǎn)，是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)所在。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中的頻譜檢測(cè)需要達(dá)到兩個(gè)要求：對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境具有高度的適應(yīng)能力和認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)自身效率的要求。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(huán)境噪聲量，包括熱噪聲、瞬時(shí)反射、脈沖噪聲等。頻譜檢測(cè)的任務(wù)就是尋找合適的頻譜空洞并反饋至發(fā)送端進(jìn)行頻譜管理和功率控制[9]。

1）能量檢測(cè)

能量檢測(cè)不需要知道授權(quán)用戶(hù)的先驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)上非常簡(jiǎn)單，只需測(cè)量頻域或時(shí)域上一段觀測(cè)空間內(nèi)接收信號(hào)的總能量來(lái)判決是否有授權(quán)用戶(hù)出現(xiàn)，是目前應(yīng)用最廣的一種頻譜檢測(cè)方式[10]。

2）循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法

由于調(diào)制信號(hào)在均值和自相關(guān)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)方面具有循環(huán)平穩(wěn)特性，

而噪聲不具有這一特性，利用信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性可以檢測(cè)噪聲背景下的授權(quán)用戶(hù)信號(hào)。在通信中，有用信號(hào)一般受人工周期信號(hào)的調(diào)制，有潛在的周期性，而噪聲沒(méi)有這個(gè)特性，此方法就是利用這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的，比較適合于噪聲環(huán)境中[11]。

3）干擾溫度檢測(cè)

干擾溫度是接受天線(xiàn)處射頻功率（發(fā)射機(jī)和噪聲源產(chǎn)生的信號(hào)功率）的一種度量。針對(duì)估計(jì)得到的干擾溫度，可以給出干擾溫度界限。通過(guò)干擾溫度界限可以對(duì)觀測(cè)的“頻譜空洞”進(jìn)行選擇，超過(guò)界限的干擾或其它噪聲都是不符合通信要求的頻譜。

2.1.2 頻譜管理

頻譜管理又稱(chēng)頻譜分配，CR 系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)頻譜分配方案。頻譜管理包括了頻譜分析和頻譜決定功能，主要目的是提供認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電能在所有檢測(cè)到的可用頻譜中間，選取最合適的頻譜來(lái)滿(mǎn)足應(yīng)用的QoS需求的能力，并實(shí)現(xiàn)一個(gè)有效的，高效的利用頻譜的自適應(yīng)策略。

2.1.3 功率控制

功率控制是指在一定范圍內(nèi)，用無(wú)線(xiàn)方式來(lái)改變移動(dòng)臺(tái)或基站（或兩者）的傳輸功率。它的目的是為了減少整個(gè)系統(tǒng)的干擾，提高頻譜利用率。功率控制能保證每個(gè)用戶(hù)所發(fā)射功率到達(dá)基站礎(chǔ)保持最小，既能符合最低的通信要求，同時(shí)又避免對(duì)其他用戶(hù)信號(hào)產(chǎn)生不必要的干擾。功率控制的作用是減少系統(tǒng)內(nèi)的相互干擾，使系統(tǒng)容量最大化。此外，功率控制在通信中還起著節(jié)能的作用，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的終端通常是由電池供電[12]。

2.2 CR技術(shù)的典型應(yīng)用

2.2.1在超寬帶（UWB）系統(tǒng)中的應(yīng)用

UWB 具有高通信容量、傳輸速率高、抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是UWB的超寬帶特性會(huì)對(duì)共享頻段內(nèi)的其它窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并且自身也易受到其它系統(tǒng)的強(qiáng)干擾[13]。將CR技術(shù)和UWB相結(jié)合，能為UWB解決上述問(wèn)題提供一種全新的思路，有可能設(shè)計(jì)出一種全新的高性能UWB系統(tǒng)。

2.2.2在WRAN中的應(yīng)用

WRAN空中接口面臨的主要挑戰(zhàn)是靈活性和自適應(yīng)性。對(duì)于物理層的要求是保持低復(fù)雜性的同時(shí)提供很高的性能；也需要相應(yīng)的MAC層控制機(jī)制[14]，允許基站以對(duì)授權(quán)用戶(hù)的頻譜感知來(lái)動(dòng)態(tài)改變網(wǎng)絡(luò)的功率或頻率，以避免干擾。為了避免和解決排列或重疊覆蓋，實(shí)現(xiàn)更好的共享頻譜，系統(tǒng)還必須包含各基站之間的協(xié)調(diào)機(jī)制[15]。

2.2.3在WLAN中的應(yīng)用

以IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)已成為目前無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks；WLAN）的主流。具有認(rèn)知功能的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)可以通過(guò)接入點(diǎn)對(duì)頻譜的不間斷掃描，識(shí)別出可能的干擾信號(hào)，并結(jié)合對(duì)其他信道通信環(huán)境和質(zhì)量的認(rèn)知，自適應(yīng)地選擇最佳的通信信道[16]。采用CR 技術(shù)可以進(jìn)一步增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能和安全性，解決WLAN頻段擁擠造成的可用頻譜資源不多的問(wèn)題。