淺談認知無線電技術及應用

薛光　孟新春

[摘 要]科技的發展推動無線通信技術的應用領域越來越多，從而使得本不寬松的頻譜資源越來越緊張，如何能充分利用有效和寶貴的頻譜資源成為一個亟需解決的課題。認知無線電技術是如何對頻譜資源進行充分利用的一種新技術，能夠在解決這個問題上提供新的思路。文章就認知無線電的關鍵技術、面臨的問題進行了探討。

[關鍵詞]認知無線電；頻譜感知；動態頻譜

一、引言

隨著科技的發展，無線技術在各個領域都有了飛速的發展，尤其是在通信領域，從而帶來的結果是，適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，這也將看似取之不盡的頻譜資源卻變得無比稀缺。如何將有限的頻譜資源最大化利用，成為通信領域研究的一個十分重要的課題。在目前的頻譜資源使用中，大多數資源的分配都是靜態的，即通過頻率規劃將固定的頻段分配給使用的用戶，用戶通信只能在有限的頻段中選取，以避免對其他用戶形成干擾。固定的頻譜分配機制大大限制了頻譜的使用率，認知無線電技術的提出，為這一問題的解決提供了很好的方法。在無需專門授權的情況下，認知無線電能夠借助頻譜感知等技術接人已授權頻段，實現對無線頻譜資源的動態共享，極大地提高頻譜利用效率和通信系統性能。

二、認知無線電技術

認知無線電（CR）的概念是Mitola博士于1999年發表文章明確提出來的，即“能夠認知無線環境并相應改變其頻譜使用方式的系統”。認知無線電以軟件無線電為平臺，是一種智能的無線通信技術，其核心是通過動態頻譜感知來探測未使用的頻段，合理占用其中的合適頻段，并動態地根據感知環境信息改變頻段、發射功率及調制方式等參數，使系統的通信規則與輸人的射頻激勵相適應。確保無論何時何地都可以進行高度可靠的通信和無線頻譜的有效利用。

1.頻譜感知技術

CR能夠感知、適應和學習周圍的電磁環境，發現頻率空穴，熟知無線信號的特征，并合理利用這些結果，這就是所謂的頻譜感知技術，也是CR區別與其他無線電的根本之所在。頻譜空穴是如下定義的：頻譜空穴是指被分配給某初始授權用戶，但在特定時間和具體位置該用戶沒有使用的頻帶。CR中的頻譜感知包含兩個方面，帶內檢測和帶外檢測。從用戶在工作時必須頻繁地對當前工作頻段和其他頻段進行感知操作，實時的頻譜檢測也能比較準確地判定射頻信號碰撞事件，使認知無線電系統能盡快進行主動退避，避免過多地影響原有授權用戶的通信。

2.動態頻譜資源分配

目前對于認知無線電的動態頻譜分配研究比較多是頻譜共享池。頻譜共享池的基本思路是將一部分分配給不同業務的頻譜合并成一個公共的頻譜池，并將整個頻譜池劃分為若干個子信道，使用無線電禮儀規則來規定各用戶之間選擇頻譜的協商機制，之后進行信道接入。其中包含兩種接入方案：具有控制信道的分配和無控制信道的分配。前者是只要頻譜池有空閑的子信道，主用戶就可選擇空閑信道而不中斷認知用戶的通信：后者是主用戶并不考慮認知用戶是否占用信道，只要需要就占用原信道。

3.位置感知技術

不同的地理環境對無線電信號的傳輸會產生不同的影響。比如室內與室外、市區與鄉村、山區與平原相比，后者就更適合無線電信號的傳輸。CR與全球定位系統以及地理信息系統結合，通過自我學習的方法，能夠識別出自身所處的地理位置，進而能根據地理環境選擇合適的發送頻率、調制方式等參數。比如在市區內，由于電磁環境復雜，多徑衰落較大，可以采用抗多徑衰落較好的OFDM調制。在鄉村由于電磁環境優良，可以采用較大的功率，傳輸更遠的距離。

4.鏈路保持技術

一旦授權用戶要再次通信，CR必須要在最短的時間內騰出正在使用的頻率，并且還要保證自己的通信不被中斷，這就是所謂的CR鏈路保持技術.國外研究指出，可以采用LT（LubyTransform）編碼技術來實現鏈路保持。LT編碼是一種冗余編碼，將長度為比特的數據分成k（k=L/I）個輸入符號，經過基于MetaoContent的編碼就變成了無限長的數據流.接收端只要收到任意K>k個編碼符號就可以無失真地還原L個比特的原始數據。

三、需要解決的問題

CR被認為是下下一代通信發展的方向。由于CR技術能夠顯著提高無線頻譜的利用效率，引起了業界的極大重視，近年來得到了快速發展。然而，CR從實驗室走向實用還有諸多問題需要解決。其中面臨需要解決的主要有兩個問題：

1.現階段認知無線電的技術理論研究很多，涉及的應用領域也很寬，但在各個研究點上分析還不夠透徹，有些關鍵問題雖然已經提出，但是解決方案還不完善；

2.要具體去實現應用無線電技術復雜性高，很多研究只能停留在理論上，R終端設計復雜，需要寬頻帶、高靈敏度的射頻前端，快速高效的數字信號處理算法以及符合軍用標準的穩健可靠的軟硬件設計；難以建立相應的實驗平臺進行驗證，實際的應用系統就更難以建立。

四、結語

認知無線電的核心思想是使無線通信設備具有發現閑置頻譜資源能力，并合理利用資源能力，從而根本上解決日益增長的無線通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾。但要真正實現CR技術，還要繼續研究頻譜預測、動態頻譜管理及頻譜接人方式等關鍵問題。

參考文獻

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