802.22工作組的主要任務(wù)是開發(fā)和建立一套基于認(rèn)知無線電(CR)技術(shù)，在現(xiàn)有電視頻段利用暫時空閑的頻道進行無線通信的區(qū)域網(wǎng)空中接口標(biāo)準(zhǔn)。由于基于802.22協(xié)議的無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)工作在現(xiàn)有電視頻段中，要求不能對正在廣播的電視頻道產(chǎn)生干擾，所以WRAN采用了認(rèn)知無線電技術(shù)，對電視頻段進行感知和測量，利用動態(tài)頻譜管理技術(shù)找到空閑頻道進行再分配。認(rèn)知無線電技術(shù)將是未來無線通信的發(fā)展方向之一。本講座將分3期對無線區(qū)域網(wǎng)和認(rèn)知無線電技術(shù)進行介紹，第1講介紹無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802.22工作組情況，包括WRAN背景、802.22系統(tǒng)、802.22空中接口等；第2講介紹認(rèn)知無線電技術(shù)和實現(xiàn)其的基礎(chǔ)軟件無線電(SDR)技術(shù)，包括無線電知識描述語言(RKRL)和認(rèn)知循環(huán)、無線電頻譜禮儀等；第3講介紹802.22 WRAN頻譜共存問題和認(rèn)知無線電技術(shù)的應(yīng)用。

基金項目：教育部重點科技項目(206055)

2 認(rèn)知無線電

無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)工作在現(xiàn)有電視頻段中，采用動態(tài)頻譜管理技術(shù)，實現(xiàn)與現(xiàn)有電視系統(tǒng)的頻譜共享，最大限度地提高頻譜利用率。認(rèn)知無線電(CR)是實現(xiàn)WRAN的關(guān)鍵，而且被普遍認(rèn)為是解決目前無線頻譜利用率低問題的最佳方案。雖然認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展剛剛起步，然而，放眼未來，可以認(rèn)為它極具潛力。認(rèn)知無線電可以在提高無線頻譜使用效率、改善無線通信系統(tǒng)性能等方面發(fā)揮重要作用，并且隨著人工智能和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，認(rèn)知無線電將會使得無線通信系統(tǒng)更加智能化，將對人類社會未來的通信發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響。

2.1 認(rèn)知無線電目前的研究現(xiàn)狀

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)這個術(shù)語首先是Joseph Mitola在軟件無線電概念的基礎(chǔ)上提出的。1999年Mitola在他的博士論文中描述了一個認(rèn)知無線電系統(tǒng)，通過無線知識描述語言(RKRL)來加強個人無線服務(wù)的靈活性，對認(rèn)知無線電進行擴展，并給出了令人感興趣的跨學(xué)科的認(rèn)知無線電的概念總結(jié)。

美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)2002年發(fā)布的頻譜政策特別工作組(SPTF)報告，對頻譜資源的使用政策具有深遠的影響。報告設(shè)定了認(rèn)知無線電工作組，并于2003年5月在華盛頓成立，隨后在2004年3月在美國拉斯維加斯召開了一個認(rèn)知無線電的學(xué)術(shù)會議，標(biāo)志著認(rèn)知無線電技術(shù)正式起步。

學(xué)術(shù)界也行動起來，著名通信理論專家Simon Hakin在2005年2月JSAC in Communications上發(fā)表了關(guān)于認(rèn)知無線電的綜述性文章“Cognitive radio: brain-empowered wireless communications”，開始了國際性的認(rèn)知無線電技術(shù)研究。隨后Berkeley、Virginia、Stevens等大學(xué)研究所和軟件無線電(SDR)論壇等研究組織紛紛展開研究，Rutgers大學(xué)Winlab實驗室還進行了認(rèn)知無線電平臺的開發(fā)。

美國國防部(DARPA)的XG計劃將研制以認(rèn)知無線電為核心的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù)，以實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入和共享。XG稱其論證的頻譜效率可使目前的頻譜利用率提高10～20倍。圖5為XG計劃的動態(tài)頻譜利用圖。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia等公司也已經(jīng)開始著手進行認(rèn)知無線電系統(tǒng)技術(shù)的研究。

認(rèn)知無線電的目的在于提高頻譜利用率。但這不僅是個技術(shù)問題，由于要從根本上改變過去的無線電資源分配狀態(tài)，因此要想實現(xiàn)認(rèn)知無線電，除技術(shù)開發(fā)之外，還必須有政府法規(guī)上的支持。美國2004年5月頒布建議制訂規(guī)則通告(NPRM)，允許在不影響授權(quán)用戶(如電視接收者)的前提下，通過基于認(rèn)知無線電的技術(shù)使用電視廣播頻段中的未授權(quán)的無線資源，放寬了認(rèn)知無線電實用化的限制。日本也已宣布將于2005年開始探討該技術(shù)。歐洲的德國、英國、意大利、瑞典等目前都有相關(guān)機構(gòu)在研究認(rèn)知無線電。

認(rèn)知無線電有多種不同的定義和概念模型以及不同的體系架構(gòu)。Berkeley大學(xué)提出的一種認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖6所示，考慮了結(jié)構(gòu)底下兩層與普通的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的不同之處。該模型只考慮了波形感知、頻譜感知、網(wǎng)絡(luò)感知、狀態(tài)感知，沒有考慮到地理位置感知、本地可用業(yè)務(wù)感知、用戶需求感知、語言感知。總的來說，認(rèn)知無線電是一個智能的無線通信系統(tǒng)，目前對它的研究主要集中在物理層和媒體訪問控制(MAC)層。認(rèn)知無線電能感知周圍無線環(huán)境，通過對環(huán)境的理解、主動學(xué)習(xí)以實現(xiàn)在特定的無線操作參數(shù)上(如功率、載波調(diào)制和編碼等方案)實時改變和調(diào)整內(nèi)部狀態(tài)，適應(yīng)外部無線環(huán)境的變化，達到通信系統(tǒng)性能最優(yōu)化的目的。認(rèn)知無線電具有在不影響其他授權(quán)用戶的前提下智能地利用大量空閑頻譜并且隨時隨地提高可靠性的通信的潛能。信號處理，人工智能、軟件無線電、頻率捷變、功率控制等技術(shù)的迅猛發(fā)展，為認(rèn)知無線電實現(xiàn)上述特殊性能提供了條件。

近兩年國際上召開了兩個重要的有關(guān)認(rèn)知無線電技術(shù)和動態(tài)信道分配的會議，分別是：2004年10月份在Washington召開的“Cognitive Radios Conference”，會議的主要議題包括：緊急的商業(yè)和軍事需求和機會，對于認(rèn)知無線電的頻譜政策——軍事和商業(yè)要求，從軟件定義的無線電發(fā)展到認(rèn)知無線電，用于自適應(yīng)頻譜管理的工具和技術(shù)，子系統(tǒng)的研發(fā)：智能天線、傳感器和接收機，自適應(yīng)調(diào)制和波形技術(shù)；2005年11月份召開的動態(tài)頻譜接入(DySPAN)會議，會議的主要議題是基于認(rèn)知無線電的動態(tài)頻譜分配和接入技術(shù)，會議發(fā)表了80多篇文章。

2.2 認(rèn)知無線電的基本功能

從認(rèn)知無線電的定義中，我們不難發(fā)現(xiàn)6個關(guān)鍵字眼：感知、智能、學(xué)習(xí)、自適應(yīng)性、可靠性、效率。認(rèn)知無線電的感知能力涵蓋了很多方面，包括波形感知、頻譜感知、網(wǎng)絡(luò)感知、地理位置感知、本地可用業(yè)務(wù)感知、用戶需求感知、語言感知、狀態(tài)感知、安全策略感知等等，其中頻譜感知是目前人們最為關(guān)注的方面。認(rèn)知無線電最大的特點在于智能性，也是它與普通軟件定義無線電最大的不同。認(rèn)知無線電是一個目標(biāo)驅(qū)動的框架結(jié)構(gòu)，對于事件響應(yīng)都按照計劃、決定、實施的順序執(zhí)行。

認(rèn)知無線電可以自動觀察無線電環(huán)境、分析信息內(nèi)容、評估選擇、產(chǎn)生計劃、監(jiān)控服務(wù)，通過基于模型的推理來獲得特定能力。認(rèn)知無線電還能夠從錯誤中進行學(xué)習(xí)，包括一些有指導(dǎo)和無指導(dǎo)的機械學(xué)習(xí)形式。這種觀察、思考、行動的循環(huán)的工作過程不同于今天的手機——只能在用戶設(shè)定的頻率上交換數(shù)據(jù)和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的指令。

因此，認(rèn)知無線電不僅需要具備可編程性的軟件無線電平臺，還要包括強健的計算機模型、用戶模型、網(wǎng)絡(luò)模型和射頻傳輸環(huán)境。

一般來說認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須具備以下基本功能：

(1)對無線環(huán)境的場景分析，包括空間電磁環(huán)境中干擾溫度的估計和頻譜空穴的檢測。

(2)信道狀態(tài)估計及其容量預(yù)測，主要有信道狀態(tài)信息的估計、信道容量的預(yù)測。

(3)功率控制和動態(tài)頻譜管理。

認(rèn)知無線電通過空間的射頻激勵來分析電磁環(huán)境，尋找滿足干擾溫度(IT)要求的頻段，如果該頻段的信道狀況能滿足通信所要達到的要求條件，則向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無線資源分配的請求，在獲取資源后，就開始啟動通信過程。

通信過程中，避免對正在使用信道的法定授權(quán)用戶，即主用戶(PU)，的干擾是對認(rèn)知無線電技術(shù)最基本的要求。作為次級用戶(SU)只能利用PU未使用的頻段，一旦發(fā)現(xiàn)主用戶要使用該頻段時，認(rèn)知無線電要在規(guī)定的時間內(nèi)讓出該頻段而切換到其他未使用的空白頻段，這樣既避免了對主用戶產(chǎn)生干擾，也不會中斷認(rèn)知無線電的通信過程。但認(rèn)知無線電也要避免過于頻繁地切換頻段，因為頻繁地切換頻段會導(dǎo)致次級用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)得不到保證，也降低了頻譜的利用率。另外通過引入人工智能、信號處理等技術(shù)，未來認(rèn)知無線電的應(yīng)用將不僅僅是單純的頻譜檢測，可能會擴展到整個系統(tǒng)性能的感知，將使得未來無線通信系統(tǒng)更加智能化、人性化。

2.3 基于RKRL語言和SDR平臺的認(rèn)知無線電

軟件無線電(SDR)是一種多波段多模式個人通信系統(tǒng)平臺，其通過射頻帶寬、空氣介面、協(xié)議、空間和實時模式的靈活變化來緩解無線頻譜的緊缺狀況。認(rèn)知無線電通過在無線域建模來擴展軟件無線電的功能，通過無線知識描述語言(RKRL)來加強個人服務(wù)的靈活性。RKRL描述的內(nèi)容包括了無線方式、設(shè)備、軟件模塊、傳輸、網(wǎng)絡(luò)、用戶需求和根據(jù)用戶的需求而自動配置的應(yīng)用方式。RKRL語言可以在軟件無線電平臺上實現(xiàn)，這樣的平臺將無線節(jié)點從僅僅執(zhí)行事先確定好的協(xié)議轉(zhuǎn)變成無線域的智能代理，實現(xiàn)了原先固定功能和通信模式的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成為智能通信系統(tǒng)的變革。

通過RKRL，認(rèn)知無線電系統(tǒng)知道高級語言配置均衡器接口和接口線路延遲結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。均衡器接口和接口線路延遲結(jié)構(gòu)采用特定應(yīng)用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程陣列(FPGA)或者某種軟件無線電算法實現(xiàn)。認(rèn)知無線電有自己的內(nèi)部構(gòu)架模型，如圖7所示，能夠通過相應(yīng)的模式解決出現(xiàn)的問題。

軟件無線電平臺硬件包括天線、無線射頻轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)器和圖7中所示基帶處理器、用戶接口等硬件模塊。基帶處理器包括基帶調(diào)制解調(diào)器和一個終端控制協(xié)議棧，此外還包括一個感知裝置和一個算法模塊。算法模塊包含用來描述無線電本身的RKRL結(jié)構(gòu)、均衡器以及其中的所有的本體，用RKRL來寫，即以軟件來替代硬件功能。

實現(xiàn)上述功能，高端內(nèi)存、計算算法和通信的帶寬對認(rèn)知無線電都是必需的。根據(jù)外部環(huán)境變化調(diào)整通信系統(tǒng)的配置不會花很長的時間，一般認(rèn)知無線電也不需要人來干涉它的工作過程。如果要對認(rèn)知無線電進行干涉，主要目的也是為了保證無線電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。很顯然，這種認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜的自適應(yīng)系統(tǒng)，具有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。

2.4 無線電表述語言

除了自然語言，還有幾種計算機語言能夠表達相關(guān)的無線電知識。但是，大多數(shù)的無線電語言如規(guī)范描述語言(SDL)、統(tǒng)一建模語言(UML)、接口定義語言(IDL)等都是用于描述的計算機語言，缺乏準(zhǔn)確性和靈活性。

在認(rèn)知無線電的研究中，如何表達外部世界的信息始終是一個重要的研究課題。RKRL是瑞典皇家科學(xué)院(KTH)專為認(rèn)知無線電開發(fā)的一套語言，是用來描述整個事件知識、計劃和需求的語言。它所包括的知識問詢和操作語言(KQML)就是為了使內(nèi)部知識的交換變得更加方便。使用KQML，移動節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)可以分享預(yù)期頻譜需求的計劃，可以有效地識別和租用頻譜。

RKRL提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的能夠?qū)﹄S機的數(shù)據(jù)交換進行動態(tài)定義的語言。RKRL的每個部分根據(jù)規(guī)則的模式和描述語言的基礎(chǔ)來構(gòu)成，其能力來自于感知循環(huán)中的模式匹配、計劃產(chǎn)生能力，由相關(guān)的推理引擎來調(diào)整。RKRL包括語法和本體信息。RKRL涉及的范圍包括規(guī)則的模式、語言定義、推論模式、多語法和無線的本體。

RKRL是一種并行對象語言，通過基于模式的推理綜合了各種語言的特點。通過RKRL這種標(biāo)準(zhǔn)語言，可動態(tài)定義認(rèn)知無線電系統(tǒng)突發(fā)的數(shù)據(jù)變換，其代理可以快速地通過操作相關(guān)協(xié)議使無線規(guī)則更好地滿足用戶需求，增強了系統(tǒng)的靈活性和反應(yīng)能力。

2.5 認(rèn)知無線電規(guī)則

既然認(rèn)知無線電能夠主動自由地選擇射頻信道、空中接口、協(xié)議架構(gòu)以及為了和其他用戶競爭的服務(wù)價格，從某些方面來說它和棋類游戲是類似的。網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)調(diào)這種游戲規(guī)則，許多研究人員采用博弈論來進行信道頻譜分配和功率控制，未來在一些頻段認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以完全和其他系統(tǒng)競爭達到無線電資源均衡利用。進行這個游戲的平臺是無線射頻頻段的各種無線頻譜、空中接口、智能天線、實時模式以及基礎(chǔ)設(shè)施和手機等，RKRL提供了描述這種游戲平臺的語言，能很好的表述這個游戲的平臺和合法使用認(rèn)知無線電。

2.6 認(rèn)知循環(huán)

認(rèn)知無線電是建立在軟件無線電平臺之上的一個智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外部環(huán)境、使用邊了解邊累積的方法對外部環(huán)境進行學(xué)習(xí)，并根據(jù)外部環(huán)境提供的激勵，對運行參數(shù)(如傳輸功率、載波頻率、調(diào)制方式等)進行相應(yīng)的修改，從而達到內(nèi)部狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整。其主要目的就是提高無線通信的可靠性和提高無線頻譜資源的使用效率。

認(rèn)知無線電系統(tǒng)感知學(xué)習(xí)循環(huán)的完整過程如圖8所示。圖8中，外部世界提供激勵，認(rèn)知無線電對這些激勵進行處理和分析，從而提取有益于提高其系統(tǒng)性能的相關(guān)信息。比如，它可以通過分析全球定位系統(tǒng)參數(shù)，或者加上亮度以及溫度決定通信環(huán)境是在室內(nèi)還是室外等等。這種處理發(fā)生在認(rèn)知循環(huán)的觀察階段，對引入和發(fā)出的信息進行分析來獲得容量情況，包括分配給用戶或是用戶所需要提供的容量。有時候這需要必要的前后相關(guān)信息來推測通信的突發(fā)性以及相關(guān)的內(nèi)在通信任務(wù)?；谏鲜鲂畔?，認(rèn)知無線電系統(tǒng)進行通信資源的規(guī)劃分配，做出決策，啟動接入控制過程，開始通信，并基于信息和學(xué)習(xí)規(guī)則調(diào)整通信系統(tǒng)狀態(tài)以達到最優(yōu)性能，然后再開始下一輪感知(觀察)，這是一個循環(huán)過程。

2.7 認(rèn)知無線電禮儀

認(rèn)知無線電能進行有序地工作是因為它有一整套來規(guī)范行為的無線電禮儀規(guī)則，這是一組由射頻頻段、空中接口、協(xié)議、空時模型以及為緩解頻譜使用緊張而制訂的高層協(xié)商規(guī)則所組成的規(guī)范模式。頻譜租用程序、用戶優(yōu)先級策略和無線電知識描述語言等都為頻譜的統(tǒng)籌規(guī)范使用提供了保障，為實現(xiàn)認(rèn)知無線電的頻譜共享提供規(guī)范。認(rèn)知無線電禮儀協(xié)議在頻譜有效和混亂之間進行權(quán)衡，使得所有的應(yīng)急服務(wù)、政府、個人和商業(yè)用戶可以主動或被動地共享該協(xié)議的成果。

頻譜租用程序是一種類似于握手協(xié)議的協(xié)商程序。頻譜出租者首先發(fā)送出租頻譜的信號，里面包含一些諸如頻率、帶寬、可以使用的時間段以及價格等相關(guān)信息；租用者在收到信號后，給對方發(fā)送意向信號，里面列舉了自己所希望達到的要求；雙方經(jīng)協(xié)商后，最后達成一致，從而完成一個簡單的頻譜租用程序。同理，也可以反過來，由租用者事先發(fā)出頻譜需求信息。

用戶優(yōu)先級策略是為了提高頻譜管理的高效性和保障社會通信的有序性。應(yīng)急服務(wù)、政府部門、商業(yè)客戶及個體用戶等各種用戶應(yīng)該具有不同的優(yōu)先級。例如應(yīng)該首先考慮警方、消防和醫(yī)療急救等社會緊急事務(wù)，把他們的優(yōu)先級設(shè)定為最高。現(xiàn)有的頻譜分配特征確定了默認(rèn)的頻譜使用優(yōu)先級。通過頻譜管理者的授權(quán)可以改變?nèi)只蚓植康膬?yōu)先級。這個協(xié)議允許分配一個用戶、一個頻道或者一個有特別優(yōu)先級(用戶、時間、空間、頻率)的組合。

認(rèn)知無線電為人性化服務(wù)提供了巨大的潛能，但是頻譜共享禮儀規(guī)則的制訂十分耗費人力。部分原因是由于沒有統(tǒng)一的表示無線電知識的方式，限制了認(rèn)知無線電對網(wǎng)絡(luò)和用戶的響應(yīng)。RKRL可能會有助于更好地提高該過程的自動化。

2.8 無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)

隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展和深入研究，Motorola及Virginia Tech等公司提出了無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念，他們認(rèn)為無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知能力的網(wǎng)絡(luò)，能夠感知網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況，并根據(jù)當(dāng)前的狀況來計劃、決定并行動，也就是說可以自我配置來響應(yīng)和動態(tài)自適應(yīng)操作和環(huán)境的改變。自我配置的主要功能組成是自我意識和自動學(xué)習(xí)，通過具有網(wǎng)絡(luò)意識的中間件和網(wǎng)絡(luò)各組成部分分布式交叉來實現(xiàn)。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能最大化操作者的能力。認(rèn)知無線電作為節(jié)點構(gòu)成智能的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的核心。

綜上所述，無論對于民用和軍事應(yīng)用，認(rèn)知無線電將使無線通信產(chǎn)生巨大變化的潛力被非常看好。毫無疑問，認(rèn)知無線電技術(shù)將是未來無線通信的發(fā)展方向之一。(待續(xù))

收稿日期：2006-03-23

作 者 簡 介

田峰，南京郵電大學(xué)信號與信息處理專業(yè)在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網(wǎng)絡(luò)信號處理。

程世倫，南京郵電大學(xué)信號與信息處理專業(yè)在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網(wǎng)絡(luò)信號處理。

楊震，南京郵電大學(xué)校長、教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為無線通信與網(wǎng)絡(luò)信號處理、語音處理與現(xiàn)代語音通信技術(shù)、信息安全技術(shù)。