王鑫　孫軍　杜愷

【摘 要】隨著信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，有限的頻譜資源變得愈發(fā)緊張。為了緩解日益嚴(yán)重的頻譜資源緊張問題，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為引領(lǐng)未來無線通信技術(shù)方向的“大事件”。本文針對無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從概念、研究現(xiàn)狀和目前所研究的關(guān)鍵技術(shù)幾方面進(jìn)行了探索、剖析與探討。

【關(guān)鍵詞】無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；頻譜感知；頻譜共享；動態(tài)接入

0 引言

過去幾十年間，隨著半導(dǎo)體、微電子和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，個人無線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)生了爆炸性的增長。從移動電話到無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network， WLAN），新興的業(yè)務(wù)類型層出不窮，人們在享受無線網(wǎng)絡(luò)所帶來便捷與樂趣的同時，日益增長的頻譜需求和有限的頻譜資源之間的矛盾也在急劇深化，為了緩解這一矛盾，研究人員提出了一種新的融合技術(shù)思路——無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio Network）[1-2]。

無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（CRN）是指網(wǎng)絡(luò)能夠感知外部環(huán)境，通過對外部環(huán)境的理解與學(xué)習(xí)，實(shí)時調(diào)整通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部配置，智能地適應(yīng)外部環(huán)境的變化。其主要目的是向用戶提供最佳的端到端效能（End to End Efficiency）。它融合了認(rèn)知無線電技術(shù)的特點(diǎn)，并考慮無線環(huán)境的信道特點(diǎn)、無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣骷盁o線終端的業(yè)務(wù)特性，分辨當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，然后根據(jù)這些狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃、決策和響應(yīng)，同時網(wǎng)絡(luò)能在自適應(yīng)過程中不斷學(xué)習(xí)，并將它們用于后續(xù)決策，實(shí)現(xiàn)端到端效能的優(yōu)化目標(biāo)[3-4]。

1 無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

目前，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在以下幾個方面：頻譜感知（spectrum sensing）、頻譜共享（spectrum sharing）、動態(tài)頻譜接入（dynamic spectrum access）[5]。區(qū)別于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的信道分配，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的信道分配往往需要基于實(shí)時感知的信道狀態(tài)，因此，頻譜感知是所有工作的基礎(chǔ)與核心。

1.1 頻譜感知

作為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的主要核心技術(shù)之一的頻譜感知技術(shù)，其目的是要發(fā)現(xiàn)在時域、頻域及空域的頻譜空洞，進(jìn)而供認(rèn)知用戶機(jī)會式利用頻譜。

頻譜感知技術(shù)可以分為基于干擾的檢測、主用戶信號檢測和協(xié)作檢測，目前的頻譜感知技術(shù)主要是基于主用戶發(fā)射機(jī)檢測，其頻譜感知方法主要又分為匹配濾波器檢測、能量檢測、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測三種。

1.1.1 匹配濾波器檢測

如果主用戶信號是確定性信號，那么在加性高斯白噪聲（AWGN）條件下最佳檢測器就是匹配濾波器，它可以使輸出信噪比達(dá)到最大。匹配濾波器檢測的優(yōu)點(diǎn)是能快速度準(zhǔn)確檢測主用戶是否存在，但是，此方法需事先知道授權(quán)用戶的信息，對授權(quán)用戶需要專門的接收器，必須定時和頻率同步。此外，計算量也較大，若先驗(yàn)知識不準(zhǔn)確，則匹配濾波器的性能會大大下降。

1.1.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測

通常，無線通信信號都具有循環(huán)平穩(wěn)性，而噪聲和干擾則不具有這種特性，因此可以通過循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法來檢測主用戶信號是否出現(xiàn)。該方法能從調(diào)制信號功率中區(qū)分出噪聲能量，可以在較低的信噪比下進(jìn)行檢測信號，但其計算復(fù)雜度較高。

1.1.3 能量檢測

能量檢測是最簡單、最為經(jīng)典的信號檢測方法，也是目前研究的熱點(diǎn)。能量檢測法相對簡單、易實(shí)施，另外，它為非相干檢測，對相位同步要求低。但是，該方法在低信噪比情況下的檢測性能較差，易受噪聲不確定性的影響，且不能辨別主用戶類型。

1.2 頻譜共享

無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享是指次用戶在不影響主用戶的前提下與其共享一段頻譜，是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。其目標(biāo)是有效管理對主用戶的干擾，并提高頻譜的機(jī)會利用率。

頻譜共享主要包括兩個方面：次用戶之間的頻譜共享以及次用戶和主用戶之間的頻譜共享，可根據(jù)架構(gòu)、頻譜分配行為等因素可大致分為三類：

（1）基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常可分為集中式頻譜共享和分布式頻譜共享。集中式頻譜共享是由某個中心服務(wù)器根據(jù)全局信息計算和執(zhí)行整體二級用戶網(wǎng)絡(luò)的空閑頻譜分配。每個二級用戶獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知，然后將感知到的信息發(fā)送到中心服務(wù)器，由中心服務(wù)器綜合對這些信息分配到空閑頻譜。

與集中式頻譜共享不同，分布式分配將認(rèn)知終端看作是一個自治的智能體，每個認(rèn)知終端根據(jù)自己獲得的頻譜信息計算和決定如何使用這些空閑頻譜，分布式分配主要應(yīng)用于無中心服務(wù)器的場合。

（2）基于頻譜分配行為

基于頻譜分配行為又可分為協(xié)作式頻譜共享和非協(xié)作式頻譜共享兩類。協(xié)作式頻譜共享考慮到各節(jié)點(diǎn)間行為的相互影響，即每個節(jié)點(diǎn)都會與其它節(jié)點(diǎn)分享自己的感知信息；而非協(xié)作式頻譜共享則不考慮其它認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，協(xié)作式方案要好于非協(xié)作式方案，更接近整體性能的最優(yōu)化，在一定程度上更為公平，同時也提高了吞吐量。

（3）基于接入技術(shù)

現(xiàn)有大部分基于接入技術(shù)研究針對認(rèn)知無線電商用進(jìn)行的，主要采用基于填充式共享方式，即只針對主用戶未使用頻譜下進(jìn)行的，基于完全檢測信息下對主用戶的干擾最小。

1.3 動態(tài)接入

與傳統(tǒng)的固定頻譜分配方式不同，動態(tài)頻譜接入技術(shù)是一種動態(tài)自適應(yīng)的頻譜管理方式，能更好的利用已有的低效的頻譜資源來滿足無線通信服務(wù)。動態(tài)頻譜接入方式可分為以下三種策略模型[8]：

（1）動態(tài)專用模式

動態(tài)專用頻譜管理方式保留了現(xiàn)有的頻譜管理策略結(jié)構(gòu)，即主用戶有著對頻譜資源的獨(dú)占權(quán)；但它們不僅可以自由選擇其所使用的技術(shù)，還可以選擇其所提供的服務(wù)。

（2）開放共享模式

開放共享模式這種頻譜管理方式得益于無線通信的發(fā)展，該技術(shù)能夠使得不同的系統(tǒng)共存，而且相互之間不會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，因此，不需要對頻譜資源進(jìn)行獨(dú)立的授權(quán)。

（3）多層接入模式多層接入模式可以看作是動態(tài)專用模式和開放共享模式的一個折中，與動態(tài)專用和開放共享模式相比，多層接入模式更符合現(xiàn)有的頻譜資源管理策略和無線系統(tǒng)。此外，頻譜正交的接入方式與頻譜重疊相比去除了次用戶發(fā)射功率所受的嚴(yán)格限制，一定程度上提高了其信道容量和吞吐量，而且有著更廣泛的應(yīng)用。

2 結(jié)束語

作為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引領(lǐng)，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)就有廣闊的研究前景與應(yīng)用價值。本文對無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了總結(jié)，從頻譜感知、頻譜共享和動態(tài)頻譜接入幾方面進(jìn)行深入分析與探討。無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)將在未來的無線通信領(lǐng)域，以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等各領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王永華.楊健.無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[J].計算機(jī)科學(xué)，2011（7）：41-45.

[2]李建中.高宏. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計算機(jī)研究與發(fā)展， 2008，45 （1）：1-15.

[3]王再勵.認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作頻譜檢測技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2011.

[4]張國偉.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2011.

[5]唐龍.一種新型的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].計算機(jī)科學(xué)，2011（10）：326-330.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]