楊瀏

摘 要：隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，無線用戶逐漸增多，這使得原本寬松的頻譜資源越來越緊張。而認知無線電技術給出一種全新的頻率資源綜合利用思路，大大提高頻譜資源的利用率。首先介紹認知無線電技術的基本概念，接著分析認知無線電技術的關鍵技術和目前的運用情況。

關鍵詞：認知無線電； 關鍵技術； 頻譜資源； 分布式感知

中圖分類號：TN92-34文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0051-03

Cognitive Radio Technology and Its Application

YANG Liu

(State Radio Monitoring Center of Chengdu Stations, Chengdu 611136, China)

Abstract： The wireless users are gradually increased with development of technology and growth of people′s living stan-dards, which reduces the spectrum resources. The cognitive radio technology gives a new idea of the comprehensive utilization of frequency resources for greatly improving the utilization of spectrum resources. The basic concepts of cognitive radio technology is introduced, the usage of key technologies and the current situation of cognitive radio technology are analyzed.

Keywords： cognitive radio; key technology; spectrum resources; distributed cognition

0 引 言

近年來，無線通信技術發(fā)展迅猛，無線電用戶也迅猛增加，看似取之不盡的頻譜資源卻變得無比稀缺。頻譜資源稀缺的根本原因是傳統(tǒng)的分配機制存在缺陷，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。認知無線電最早由瑞典的Joseph博士提出，是對軟件無線電的進一步擴展，其核心思想是充分利用沒有被用戶使用的頻譜資源，對閑置的頻譜資源進行檢測，以進行運用。

對于認知無線電的解釋眾多，比較有代表性的有Mitola理論和FCC理論。其中Mitola理論認為，認知無線電可以保證個人的無線控制器(PDA)和相關網絡安全，智能地偵測到用戶的通信需求，并為其提供最為適合的無線電資源。作為軟件無線電的一種,它結合了多種功能，包括應用軟件、界面和認知等。與Mitola觀點相左，FCC認為，認知無線電可以與其運行環(huán)境發(fā)生交互作用，從而改變其發(fā)射機參數。目前，這一定義獲得的認可度比較高。

1 認知無線電的關鍵技術

認知無線電技術的關鍵技術琜1]有動態(tài)頻譜管理和頻譜感知技術。奈曼-皮爾遜準則(Neyman-Pearson criterion)是信號檢測中常用的判決準則之一，也是認知無線電中評價感知性能的主要準則。根據這個檢測依據，可以將認知無線電頻譜感知技術分為兩種，即基于能量的檢測和基于特征的檢測。

1.1 基于能量的檢測

基于能量的檢測對被檢測信號的先驗知識要求不高，只需比較少的被檢測信號的先驗知識便可進行。檢驗接收信號y(n)滿足以下假設：

H0:y(n)=ω(n)

H1:y(n)=x(n)+ω(n)

式中:x(n)為首要用戶信號;ω(n)為噪聲信號。這樣接收信號的能量估計為：

T=BM∑Mn=1y(n)y(n)*

如果T>Tthereshold，則認為H1假設成立，首要用戶信號即出現，否則則認為無首要用戶信號［2］。

1.2 基于特征的檢測

基于特征的檢測方式是基于信號的有關特征進行的，包括簡單的頻譜相關性感知和基于信號循環(huán)平穩(wěn)特征的感知。前者通過對預存信號頻譜與接收信號頻譜的相關運算進行感知。后者是依據無線電信號所普遍具有的循環(huán)平穩(wěn)性而展開的，其可以用普相關函數(SCF)來表示，即在離散的情況下，有：

SαxT(f)Δt=1Δt∫Δt/2－Δt/21TXT(t,f+α/2)X*T(t,f－a/2)dt

這樣，通過檢測SCF的峰值并搜索循環(huán)頻率的關系，便可以確定是否出現授權用戶。這種檢測方式操作起來非常簡單，不需要事先知道與被檢測信號調制參數相關的信息，并且可以減少信號接收過程中的不確定性，對噪聲不確定性不敏感，還能夠有效抑制其間的噪聲變化。研究顯示，循環(huán)平穩(wěn)檢測性能在低信噪比的情況下，比能量檢測器更加優(yōu)越?；谛盘柗枠嫵傻母兄饕獞迷诰唧w的系統(tǒng)當中，可針對被檢測信號的具體特征加以設計。

目前運用比較廣泛的是分布式感知。多單一檢測器的檢測性能不太穩(wěn)定，容易受徑衰落和陰影衰落的影響。對于所有的檢測器來說，其位于深衰落的概率都非常低，因此，研究者多數均偏好運用此種感知方法來減少對單一檢測器的依賴，增強檢測的可靠性。根據帶寬的需求和檢測器提供的結果類型，可以將分布感知劃分為三類：

(1) 用來交換檢測決策的窄帶控制信道。窄帶控制信道的功能非常強大，在較低信噪比情況下，能夠有效的提高能量檢測器的檢測性能。

(2) 用于類似循環(huán)平穩(wěn)檢測器的檢測結果傳輸的窄帶控制信道。其傳輸的不是單純的決策信息，通過交換檢測結果的摘要，可嚴格避免傳輸大量的原始數據。

(3) 寬帶控制信道，這種信道的信息處理功能非常全面，能交換完整的原始數據，并能提供非常全面的信息，據此能夠進行更加復雜的檢測。

從檢測概率和可靠性方面考慮，分布式感知更有優(yōu)勢；但在效率層面上，即降低首要用戶檢測的時間方面，協(xié)作感知(Cooperative Sensing)則表現更加突出。然而，目前受多方面因素制約，對協(xié)作感知的研究還比較少［3］。

與認知無線電技術相關的另外一種關鍵性技術是動態(tài)頻譜分配，又稱為動態(tài)頻譜管理。頻譜分配是通過一個自適應策略對頻譜資源進行有效利用的手段，其可以提高無線通信的靈活性，使資源得以有效且公平的配置，減少主要用戶和次要用戶之間的沖突，為其共享頻譜提供平臺。以無線電頻譜感知為基礎的認知無線電的動態(tài)頻譜管理可以通過頻譜共享池策略，達到共享信道的目的［4］。

2 認知無線電技術的運用范圍

認知無線電技術運用琜1]廣泛，表現在以下幾方面：

(1) 在與認知無線電技術密切相關的超寬帶(UWB)系統(tǒng)中的應用。UWB技術一直以來都被認為是未來多媒體寬帶無線通信領域中最具成長前景的技術，2002年FCC將信號帶寬與中心頻率之比大于25％或者中心頻率大于500 MHz的帶寬定義為超寬帶。之后，UWB技術在激烈的競爭中謀求發(fā)展，其間出現了兩個提議，即我們熟悉的直接序列UWB方案和多頻帶OFDM-UWB方案。

(2) 在近幾年才出現的全新的無線網絡結構Mesh網中的應用。Mesh具有無線多跳(Multi-hop)的網絡拓撲結構，其網絡中的每個節(jié)點都都可以與一個或多個對等節(jié)點直接通信，能夠快速發(fā)送和接收信息，且具有接入方便、成本低廉等諸多優(yōu)點。在網絡越來越密集，人們對其服務的吞吐量大小要求更高的今天，無線電Mesh網的處理能力和速度需要進一步進行提升才能順應時代的發(fā)展。CR技術能夠提高頻譜的利用效率，且與無線Mesh網的結合可以應用于人口稠密的大城市的無線寬帶接入。當一個無線Mesh網的骨干網絡由固定中繼點和認知接入點組合而成時，其覆蓋范圍便能大大增加。

(3) 在WRAN中的應用。 IEEE 802.22工作組于2004年11月成立，無線區(qū)域網絡(WRAN)是其另外的稱謂，WRAN的工作原理是利用CR技術將分配給廣播電視的VHF/UHF頻帶作為寬帶接入信道。這一系統(tǒng)定義了一種點到多點的無線電空中接口?；贑R基站進行小區(qū)內部的認知用戶的自我管理，指由于每一個認知用戶為了找到空閑的頻道資源，都會對所有的TV頻道進行掃描，然后將這些頻道所占用的信息發(fā)送到基站端，隨后由其對頻譜資源進行動態(tài)的管理，將可用信道作為無線寬帶接入使用。

(4) 在WLAN中的應用。雖然IEEE 802.11a和IEEE 802.11b/g兩者的無線局域網設備均工作在2.4 GHz和5.8 GHz的頻段內。但是在這段不需要授權的頻段上，其極有可能會遭受到HomeRF設備、無線電話、藍牙等工業(yè)設備的干擾。CR技術能進一步加強通信網絡系統(tǒng)的性能和安全性。

(5) 在多入多出(MIMO)系統(tǒng)中的應用。認知無線電的運用非常廣泛，在無線通信的許多新的研究領域均有所涉及。認知MIMO技術與認知無線電的聯合，可以利用載波的頻率及復用的增益的兩種靈活性使無線通信系統(tǒng)的頻譜效率得以顯著提高，這也是對其加以運用的主要目標。

(6) 在礦井通信中的運用。認知無線電在煤礦無線通信中的運用具有以下優(yōu)勢：

可提高系統(tǒng)容量，認知無線電的功能非常全面，其能夠根據井下的實際情況對頻譜進行動態(tài)的分配，改變傳統(tǒng)的井下無線通信安裝之后對工作頻率和方式進行固化的弊端。此外，由于礦井中巷道多且復雜，工作面和介質，乃至工作地形等環(huán)境均呈動態(tài)分布，普通的技術難以對其進行科學的分析，而認知無線電還可以根據同一礦井中的復雜環(huán)境對傳輸參數進行動態(tài)的選擇，且針對井下語音通信困難問題，通過將頻譜利用率提高10倍,以克服通信困難，并可以使實時圖像信息的傳輸和遠程監(jiān)控功能順利實現。

衡量通信可靠性的重要指標之一是提高系統(tǒng)抗干擾的能力。與地面不同，礦井的環(huán)境非常復雜，因此，電磁干擾的耦合和傳播會嚴重干擾單一、固定的通信方式，大大降低其通信效果，甚至阻礙信號的傳輸，導致通信失敗。而認知無線電能夠有效沖破以上阻礙，通過感知、學習和分析環(huán)境中的電磁信息，進而選擇采用最適合傳輸的編碼方式，在此過程中通過對發(fā)射功率和工作頻率等參數的調整,來減小通信過程中可能產生的電磁干擾，以達到提高通信效果的目的［5-6］。

3 結 語

認知無線電是可以感知外部通信環(huán)境的一種智能化通信系統(tǒng)。認知無線電系統(tǒng)可以通過學習，不停地感知外界的電磁環(huán)境變化，并通過自適應調整其自身內部的通信機理來達到對電磁環(huán)境變化的適應。這種自適應的調整，一是為了提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，二是為了提高電磁頻譜資源的利用率［7］。

參考文獻

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