閆復利

摘要：為了解決當前頻譜利用率低和頻譜緊張稀缺的結(jié)構(gòu)性矛盾，提高頻率利用效率滿足人們的使用需求是迫在眉睫的。分析了傳統(tǒng)的時分復用、空分復用、碼分復用、正交復用技術(shù)已經(jīng)用于提升頻譜利用率。目前依然頻譜效率低，通過認知無線電提升頻譜利用率是研究的方向和研究熱點。介紹了認知無線電原理以及工作流程，研究了認知無線電關(guān)鍵技術(shù)以及認知無線電在軍事、應急通信、公共安全、工礦企業(yè)、自組織網(wǎng)絡等領(lǐng)域應用，給出了認知無線電的困境對策和建議以及展望了認知無線電的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：認知無線電；頻譜感知；認知引擎；軟件無線電；網(wǎng)絡融合

1概述

隨著電子與信息技術(shù)快速發(fā)展，各種無線通信新技術(shù)和新產(chǎn)品涌現(xiàn)于生產(chǎn)生活的各個方面，如藍牙技術(shù)、RFID技術(shù)、UWB技術(shù)、Zigbee技術(shù)、4G通信技術(shù)、WIFI技術(shù)、數(shù)字廣播電視技術(shù)、無線門鎖技術(shù)、無線遙控技術(shù)等，它們都需要固定各自的頻段頻點規(guī)避互相干擾。無委會指定的頻段頻點大部分使用效率低造成頻譜資源的浪費，而且目前分配是非連續(xù)的，未分配的頻段得不到利用，與頻譜日益緊張稀缺存在結(jié)構(gòu)性矛盾。當前全球總體無線電頻譜利用率低已是最突出的問題，頻譜資源是有限和稀缺的，是國家的重要戰(zhàn)略資源，頻譜資源的稀缺和大量需求的矛盾制約了無線通信的發(fā)展。為了提升無線頻譜利用率業(yè)已使用的有時分復用技術(shù)、空分復用技術(shù)、碼分復用技術(shù)、正交復用技術(shù)等，根據(jù)聯(lián)邦通信委員會（FCC）的數(shù)據(jù)，分配的頻譜利用率僅僅有15～85%，3GHz～5GHz頻段利用率不足1%，固定頻譜指配方式造成了稀缺頻譜資源的浪費，我們急需尋求提高頻譜利用率的方法解決利用率低和資源緊張的矛盾，認知無線電（Cognitive radio，CR）用來提高頻譜利用效率應運而生。1999年Mitola博士首次提出認知無線電概念，目前受到了各界的廣泛關(guān)注，已有代表性成果在基本理論和關(guān)鍵技術(shù)以及網(wǎng)絡架構(gòu)的研究。本文從技術(shù)和應用角度對認知無線電進行了研究，并提出認知無線電的困境對策和建議以及展望認知無線電的發(fā)展。

2認知無線電原理

認知無線電是基于軟件無線電平臺的智能通信技術(shù)，可以自動利用空閑頻段頻點和動態(tài)檢測頻譜環(huán)境以提高頻譜利用率。它具有學習和系統(tǒng)重構(gòu)能力，可以根據(jù)無線電頻譜環(huán)境實時調(diào)整無線系統(tǒng)參數(shù)。如圖1所示，認知無線電的實現(xiàn)通過三個步驟完成，一是無線頻譜環(huán)境的感知，感知無線環(huán)境的頻率使用和干擾情況。二是對感知的電磁環(huán)境進行分析、學習和決策，例如重復博弈理論決策、拍賣理論的頻譜分配決策等。三是軟件無線電的系統(tǒng)重構(gòu)，決策的執(zhí)行由系統(tǒng)重構(gòu)完成，例如功率控制、頻譜分配等。完成這個過程的模塊，我們稱之為認知無線電模塊，或稱為認知用戶。

3認知無線電關(guān)鍵技術(shù)

認知無線電是軟件無線電與認知功能的有機結(jié)合，認知功能的實現(xiàn)優(yōu)劣和軟件無線電的重構(gòu)能力決定了認知無線電的性能好壞和實現(xiàn)。

3.1頻譜感知

頻譜感知是認知無線電實現(xiàn)過程的第一步，對系統(tǒng)性能有決定性影響。頻譜感知的目的是及時發(fā)現(xiàn)空閑信道，當授權(quán)用戶（主用戶）使用信道時要及時感知并釋放信道，不能對主用戶產(chǎn)生干擾，頻譜感知結(jié)果提供給分析決策模塊。頻譜感知技術(shù)是頻譜感知的關(guān)鍵，根據(jù)感知帶寬和感知方式分類如圖2所示。我們對感知方式進行分析：（1）匹配濾波器檢測快速且增益高，信噪比最優(yōu)，它的缺點是需要準確的主用戶信息，否則性能就會很差，獲取主用戶的信號相關(guān)性需要定時以及頻率同步，在很多主用戶頻譜開放時就需要許多匹配濾波器，這些不足導致成本高和復雜性制約了它的應用。（2）能量檢測又稱盲檢測，是一種重要而又基本的檢測方法，是對信道能量進行判決而無需知曉信號信息，與方式（1）相比實現(xiàn)簡單。（3）循環(huán)平穩(wěn)特征檢測利用信號的循環(huán)平穩(wěn)特征相關(guān)性進行檢測。（4）合作頻譜感知可以有效減弱甚至消除單認知用戶檢測的錯判誤判，有集中式和分布式，目前用的大部分為集中式。其優(yōu)點是檢測時間與單認知用戶檢測相比速度快，缺點是認知用戶與融合站之間信息交互會占用資源，合作的認知用戶越多，開銷的頻譜資源越多，降低額外資源開銷是未來的研究方向。（5）本振泄漏檢測的可靠檢測時間長、范圍小、使用不方便，需要知道主用戶的接收機體系結(jié)構(gòu)，接收機分布范圍廣時不可行，接收機本振泄漏會變化也不易于檢測，目前接收機的本振泄漏很微弱，更增加了檢測的難度，改進的監(jiān)測本振泄漏法復雜且研究成果也較少，該方法使用不多。（6）干擾溫度檢測可以發(fā)現(xiàn)更多的可用頻譜，干擾溫度在一定限值內(nèi)認知用戶共享頻譜不影響主用戶的正常工作。（7）寬帶頻譜感知可以搜索多個空閑信道來提升頻譜利用率，分為兩類：多信道帶寬感知先頻帶細分再利用窄帶頻譜感知，不能檢測隨機信號；一般帶寬感知不能對信道逐一檢測。

3.2分析決策與學習推理

分析決策與學習推理稱為認知引擎，是認知無線電的關(guān)鍵部件與核心部分。人工智能技術(shù)又是認知引擎的核心（1）專家系統(tǒng)存儲專家知識體系并借助專家知識進行推理決策處理專家級問題，能快速適應環(huán)境，及時調(diào)整無線電參數(shù)。（2）案例推理技術(shù)，類似法律上所說的判例法，可以借助歷史記錄以及相似案列去尋求解決方案。通過案列庫查找與當前問題最為匹配的案例并借鑒用于解決當前問題，當前解決的問題也會存儲到案例庫，無線電環(huán)境變化以及參數(shù)優(yōu)化都存儲起來作為經(jīng)驗案例，具有學習和智能的特征。（3）遺傳算法來自于遺傳生物學，該算法把認知無線電作為生物系統(tǒng)對待，把認知無線電的特征作為染色體對待，認知無線電的具體指標就是基因，遺傳算法就可以優(yōu)化認知無線電的工作參數(shù)。經(jīng)濟學的理論也可以應用到認知無線電，例如拍賣理論、博弈理論，基于這些理論的頻譜分配決策研究已取得了一些成果，若應用到工程還有一些問題需要解決，如政策層面是固定頻點指配，法律層面是保護指配。分析決策的目的是為了頻譜共享和提高頻譜利用率，若從頻譜的機會接入方式考慮有Overlay和Underlay兩種接入方式，如圖3所示。假設(shè)頻譜共享技術(shù)在未劃分頻段和已劃分頻段可以共享使用，我們對Overlay和Underlay進行分析：（1）Overlay頻譜共享是動態(tài)的共享接入，認知用戶在空閑頻段頻點機會接入，若有主用戶使用必須即刻釋放信道，對主用戶的干擾較小。（2）Under—lay頻譜共享是認知用戶采用擴頻技術(shù)實現(xiàn)功率譜密度在主用戶噪聲容忍度以內(nèi)，不會干擾主用戶正常工作。endprint

3.3系統(tǒng)重構(gòu)

軟件無線電借助FPGA、DSP和ARM可以實現(xiàn)硬件和軟件的重構(gòu)，F(xiàn)PGA具有靈活動態(tài)重構(gòu)的特點，DSP擅長算法和信號處理，ARM可以擴展存儲空間和接口以及嵌入操作系統(tǒng)，可以控制資源和進程管理。軟件無線電可以靈活擴展業(yè)務、增強功能、切換信道、適應調(diào)制方式、測試分析電磁環(huán)境、共享射頻和AD/DA電路。實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)有：（1）低噪聲放大器、射頻功率放大器、射頻開關(guān)、雙工器、天線等射頻前端的帶寬要寬，技術(shù)指標具有重構(gòu)能力，可以通過程序控制實現(xiàn)調(diào)整。（2）AD/DA的轉(zhuǎn)換速度要快，需要工作頻率高和性能優(yōu)良。其性能會影響信噪比、接收機動態(tài)范圍、失真度、頻譜純度、互調(diào)指標。（3）高速DSP/FPGA是核心，它負責信號處理、計算與控制，其性能決定了無線電的性能和實現(xiàn)，是系統(tǒng)重構(gòu)的關(guān)鍵與核心。（4）硬件結(jié)構(gòu)具有開放擴展和重構(gòu)能力，軟件無線電才能實現(xiàn)各種體制和適時增加新功能，例如DSP模塊擴展、通信接口擴展等。（5）軟件可以在不同硬件平臺間移植重復利用。

4認知無線電應用

認知無線電可以提高頻譜利用率和通信可靠性以及電子對抗效率，減小干擾，可以應用在軍事、應急通信、公共安全、工礦企業(yè)、自組織網(wǎng)絡等領(lǐng)域，該技術(shù)對于我國無線電頻譜動態(tài)管理也有一定積極作用。

4.1軍事應用

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭是電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)，電子和信息設(shè)備的良好性能可以大大提高指揮能力、對子對抗能力、不同作戰(zhàn)平臺的融合能力、戰(zhàn)場頻譜利用效率、通信系統(tǒng)容量，也可以用于反干擾對方的電子設(shè)備與通信。軍事上通信和電磁環(huán)境復雜惡劣，軍事認知無線電（MCR）不是認知無線電簡單應用，是科學有效的改進。我們應當建立適應軍事通信的綜合策略庫、研究感知和提取戰(zhàn)場信息、綜合運用策略融合的人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡。利用感知信息做到頻譜監(jiān)測和管理的融合，進行寬頻段的通信和電子對抗，保證我軍通信可靠高效的同時也可以對敵方通信系統(tǒng)進行干擾。寬頻段的感知和軟件無線電重構(gòu)利于聯(lián)合作戰(zhàn)的水平提高，可以把各種電臺和衛(wèi)星通信互聯(lián)互通，進行網(wǎng)絡融合實現(xiàn)信息共享。

4.2公共安全應用

人民生活的幸福安康和國家的繁榮富強需要和平穩(wěn)定有序的社會環(huán)境，公安機關(guān)和其他機關(guān)單位綜合聯(lián)勤聯(lián)動打擊犯罪與恐怖組織保障社會安全、人民生命財產(chǎn)安全需要通信靈活、可靠、高效、融合。具有認知功能的無線電，可以用于執(zhí)行任務，自適應通信質(zhì)量，優(yōu)化通信性能、避免暴露自己、延長電池工作時間，其靈活的特點是執(zhí)行復雜多樣化任務的通信保障。

4.3應急通信應用

目前專網(wǎng)通信制式多、模擬數(shù)字設(shè)備共存、互聯(lián)互通差、頻段頻點不同，導致進入救援現(xiàn)場的各個部門和單位各自內(nèi)部通信、頻譜使用無序、互相干擾嚴重，不利于救援的指揮和進行。認知無線電可以系統(tǒng)重構(gòu)互聯(lián)互通、智能提高頻譜利用率、規(guī)避干擾降低信息撞車、可以實現(xiàn)異網(wǎng)異構(gòu)的信息融合，是應急通信的理想選擇。

4.4無線電頻譜管理應用

認知無線電不利于無線電管理，對認知無線電的監(jiān)測設(shè)備成本較高、體積過大，認知無線電對主用戶識別具有技術(shù)局限性，管理部門頻率數(shù)據(jù)臺站庫對認知無線電無效導致監(jiān)測工作挑戰(zhàn)巨大，在使用的偵測設(shè)備不能檢測認知無線電的跳頻和擴頻形式的頻譜，原來的測向定位也失去意義。如果無線電管理部門能建立“小型頻率指配站”實行頻譜動態(tài)管理，認知用戶申請獲得可用頻率，以這種形式進行無線電管理可以合理規(guī)劃頻譜、減少認知用戶成本、無線電監(jiān)管高效有序，是未來無線電管理工作的發(fā)展方向。

5結(jié)束語與展望

本文從技術(shù)和應用角度進行研究分析，認為認知無線電可以動態(tài)頻譜機會接人、系統(tǒng)重構(gòu)、靈活自組網(wǎng)、抑制干擾、提高系統(tǒng)容量、信息融合，從而提高頻譜利用率。其優(yōu)勢促使標準化組織、各國無線電管理部門、學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界進行積極研究，它是新興的技術(shù)和研究熱點。目前，認知無線電的發(fā)展受到無線電現(xiàn)有管理政策和認知無線電網(wǎng)絡安全的限制，如果無線電管理部門能建立“小型頻率指配站”實行頻譜動態(tài)管理，認知無線電可以實現(xiàn)使用合法化和管理可控化，我們可以針對認知無線電網(wǎng)絡安全的模擬主用戶攻擊（PUE）、頻譜感知數(shù)據(jù)篡改（SSDF）、學習推理環(huán)節(jié)攻擊進行研究和制定解決方案，如研究先進和實用的網(wǎng)絡安全算法，挖掘攻擊方式以防患未然。應積極研究認知無線電新技術(shù)以及標準制定、無線電管理法規(guī)配套，解決網(wǎng)絡安全和政策的限制。endprint