［張紅國］

隨著人類社會信息化程度的不斷提升，各種新型無線業(yè)務不斷出現和發(fā)展，尤其是5G 商用以來，導致頻譜供需矛盾有了更加明顯的認知。如何提高頻譜資源利用率成為大家日益關注的議題[1]。認知無線電(CR,Cognitive Radio) 作為一種智能的頻譜感知和分配技術，能夠智能地感知無線通信環(huán)境，并根據一定的學習決策算法自適應地改變頻譜分配參數，動態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜，同時在理論上與多維頻譜復用技術兼容，具有廣闊的應用前景，認知無線電技術的發(fā)展和進步將大大降低頻譜和帶寬限制對無線技術發(fā)展的束縛[2]。

1 認知無線電的發(fā)展歷程

1.1 認知無線電概念的演進

1999 年，瑞典皇家科學院的Joseph Mitola 博士在他的 論 文《Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal》中首次提出了認知無線電（CR）的概念，Joseph Mitola 認為CR 是對軟件定義無線電（SDR,Software Defined Radio）功能的擴展，具體來說，CR 可使 SDR 從預置程序的執(zhí)行者轉變成為無線頻譜資源的的智能管理者，CR 可以通過無線電知識描述語言、基于模式的推理方式與通信網絡進行智能交流，并自適應地調整傳輸參數、分配頻譜資源，以實現通信系統(tǒng)的高可靠性和頻譜資源的高利用率[3]。Joseph Mitola 博士提出了認知無線電這一嶄新的概念，但是其對認知無線電的認識仍存在不足之處，即Joseph Mitola 提出的CR 概念是基于SDR 的，其認知功能的實現主要在應用層及以上層，但這種認識缺乏相應的具有認知功能的物理層和鏈路層體系結構的有效支撐[2]。

相較于Joseph Mitola 的定義，FCC 的定義更能為業(yè)界接受。2003 年，FCC 對認知無線電作出如下定義：認知無線電是能夠與所處的通信環(huán)境進行交互并根據交互結果改變自身傳輸參數的無線電。與Joseph Mitola 不同，FCC 提出的CR 概念主要基于頻譜資源分配和管理問題，為實現動態(tài)頻譜分配提供了有力的支撐。

到目前為止，較為完備的認知無線電定義是由Simon Haykin 教授提出的，Simon Haykin 綜合了Joseph Mitola 等學者的觀點，在《Cognitive radio: brain-empowered wireless communications》一文中對認知無線電作出如下定義：認知無線電是一個智能無線通信系統(tǒng)，能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術從環(huán)境中學習，通過實時改變傳輸功率、載波頻率和調制方式等系統(tǒng)參數，使系統(tǒng)適應外界環(huán)境的變化，從而達到很高的頻譜利用率和最佳通信性能[4]。

1.2 認知無線電的標準化工作

認知無線電作為解決頻譜資源緊張問題的有效途徑，受到了全社會的廣泛關注，其標準化工作也一直在被不斷推進。許多國家的頻譜分配和管理部門都對CR 技術給予了大力支持。2003 年，FCC 明確表示支持CR 技術并建議修正美國的《電波法》，以支持基于CR 的新的無線頻譜分配制度。另外，英國通信辦公室也在2004 年將CR 技術寫入其頻譜框架概述報告書中。

隨后，一些國際標準化組織如IEEE 也加入了CR 技術的標準化工作中，制定了IEEE802.22（認知無線電技術為基礎的空中接口標準）、IEEESCC41（動態(tài)頻譜接入的相關技術）等一系列相關標準。其他參與了認知無線電標準化工作的國際化組織還有國際電信聯盟、軟件無線電論壇等。

到目前為止，認知無線電的標準化工作已經取得了巨大的進展，并在許多場景得到了廣泛的應用，其主要應用場景包括WRAN、WLAN、UBW、Mesh 網絡、Ad-hoc網絡等。

2 認知無線電的循環(huán)結構框架

通過認知無線電的定義可以看出，認知無線電的功能可以概括為兩個方面：（1）認知功能，認知無線電需要能夠感知外界信息，并通過人工智能技術從外界環(huán)境進行學習；（2）重配置功能，認知無線電能夠實時改變傳輸功率、載波頻率和調制方式等系統(tǒng)參數，使系統(tǒng)適應外界環(huán)境的變化。認知無線電隨環(huán)境變化不斷改變傳輸參數的過程即是一個“感知-配置”不斷循環(huán)的過程，這便是認知無線電中經常提到的循環(huán)結構，一種常見的認知無線電循環(huán)結構如圖1 所示[5]。

圖1 認知無線電循環(huán)結構

可以發(fā)現，一個完整的認知無線電循環(huán)過程包括頻譜掃描、頻譜分析、頻譜決策三大模塊。頻譜掃描是指CR系統(tǒng)從外部掃描電磁信號頻譜，得到未被占用頻譜（即“頻譜空穴”）信息。

頻譜分析主要完成對“頻譜空穴”的分析，如“空穴”所占的帶寬、“空穴”的噪聲大小、“空穴”的時間分布特性等；另外，頻譜分析還需完成對信號的調制識別、信號參數測量等工作[6]。

頻譜決策是指在完成頻譜感知和頻譜分析的基礎上，完成無線頻譜的動態(tài)分配工作，并確定通信參數和調制模式等通信要素。

無論是在理論分析還是實際應用中，頻譜掃描和頻譜分析都是密不可分的，所以往往將其合并為一個模塊，統(tǒng)稱為頻譜感知，用以完成對無線電頻譜的掃描和分析工作。

3 頻譜感知

頻譜感知是認知無線電系統(tǒng)的基礎，是實現頻譜決策的必要條件。如上文所述，頻譜感知的主要任務是尋找“頻譜空穴”并分析“頻譜空穴”的相關性質。

3.1 慢變OFDM 系統(tǒng)下的頻譜感知方法

在慢變的OFDM 系統(tǒng)中，常用的物理層頻譜感知方法有能量檢測法、匹配濾波法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法三種。其中能量檢測法是使用FFT 將時域信號變換為頻域，再將頻域信號求模即可得到信號的頻譜，能量檢測法屬于非相干檢測，無需對信號的先驗知識，實現簡單，但是能量檢測法無法對信號和噪聲進行有效的區(qū)分，所以無法準確地識別“頻譜空穴”。

另外一種較為簡單的方法是匹配濾波器檢測法，匹配濾波器檢測法利用了匹配濾波器的原理對信號進行檢測。如圖2 所示。

圖2 匹配濾波器檢測法框圖

圖3 接收端采樣示意圖

使用匹配濾波器檢測法的前提是已知發(fā)射信號y(n)，而檢測統(tǒng)計量Y如式（1）所示：

檢測統(tǒng)計量Y與判決門限λ的關系可以判斷該頻譜信道是否被占用，若，則說明當前信道存在授權用戶；若，說明當前頻譜空閑，可以使用此頻譜信道。匹配濾波器檢測實現簡單，可以較為準確地識別“頻譜空穴”，但是該方法需要知道信號的先驗知識，而且對同步精度有較高的要求。

循環(huán)平穩(wěn)檢測可以克服上述兩種方法的缺點。循環(huán)平穩(wěn)檢測通過調取調制信號的循環(huán)平穩(wěn)特性，來檢測信號是否存在。廣義循環(huán)平穩(wěn)特性定義如下：若信號x(t)的均值mx(t)和自相關函數在一段時間內都是周期性的，如式（2）、（3）所示，則稱x(t)具有廣義循環(huán)平穩(wěn)特性

根據x(t)的廣義循環(huán)平穩(wěn)特性，可以引出循環(huán)自相關函數的概念，它表明了信號在循環(huán)頻率a上的自相關特性。

對循環(huán)自相關函數做傅里葉變換即可得到循環(huán)譜密度函數：

3.2 快變OFDM 系統(tǒng)下的頻譜感知方法

在3.1 中介紹的能量檢測法、匹配濾波法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法等三種頻譜感知方法中，為了保證采樣點的相關性，通常在一個符號周期內大量采樣，不能適用于快變OFDM系統(tǒng)下的頻譜感知。

文獻[7]提出了一種面向快變OFDM 信道的廣義似然比頻譜感知方法。對快變信道下的頻譜感知具有重大的參考意義。

假設感知接收設備對接收信號的采樣間隔為N，與未加循環(huán)前綴的OFDM 符號長度相等。則當采樣點落在任何一條路徑上的循環(huán)前綴持續(xù)時間內，這些采樣點將會表現出很強的相關性。這是因為對每一個發(fā)射符號中，循環(huán)前綴都是相同的，在循環(huán)前綴處取樣，即是取樣點分布在不同符號內，也可以獲得較強的相關性。

根據假設檢驗的方法，將接收信號分為H0和H1兩種情況：

H0表示該信道并沒有發(fā)送符號，只有噪聲，即出現了“頻譜空穴”；H1表示該信道有符號發(fā)送，已被占用。根據采樣點間的強相關性，可以定義如下參數：

其中m為觀測窗口的長度。根據ζ可以得到廣義似然比檢測的統(tǒng)計量：

而判決門限可以根據累積分布函數寫出：

式中PFA為虛警概率，即在采用門限檢測的方法時由于噪聲的普遍存在和起伏，實際不存在目標卻判斷為有目標的概率。當時，則該OFDM 頻譜已被占用，否則該頻譜未被占用。

文獻[7]中的廣義似然比檢測法為快變OFDM 系統(tǒng)下的頻譜感知提供了思路，即找出所有符號中具有較強相關性的部分進行采樣，這樣可以大大減少頻譜感知時的采樣點數，實現快變信道下的大間隔、強相關采樣。

3.3 新型頻譜感知技術簡介

目前所應用的頻譜感知方法大都局限于傳統(tǒng)窄帶頻譜感知，這些方法可以在窄帶范圍內充分地感知頻譜，但在寬帶范圍內使用傳統(tǒng)方法進行頻譜感知卻面臨著硬件成本、計算量、采樣速率等的限制，目前人們提出了許多的新型頻譜感知方法以解決寬帶頻譜感知過程中遇到的問題，本文將選取其中幾種作簡要介紹。

（1）壓縮頻譜感知，壓縮頻譜感知是基于壓縮理論的，壓縮理論指出[8]：只要信號本身或在某個變換域是稀疏的，則可以在遠小于奈奎斯特采樣率的條件下獲取欠采樣的壓縮測量并成功恢復出原始信號

使用自適應壓縮頻譜感知算法需要對對稀疏度進行估計，并選取合適的測量矩陣大小并且可以正確地停止信號測量。與傳統(tǒng)方法相比，壓縮頻譜感知方法減輕了傳統(tǒng)算法中的嚴格采樣要求帶來的硬件壓力，在實現寬帶頻譜感知的同時保證了頻譜恢復精度和壓縮比。

（2）協(xié)作頻譜感知，除了通過信號壓縮減少采樣點數，多節(jié)點協(xié)作進行頻譜感知也是降低復雜度的有效方法。除了可以實現寬帶頻譜感知，協(xié)作頻譜感知還可以提高感知結果的可靠程度，在陰影和深度衰落情況下，單個節(jié)點的感知結果并不可靠，而協(xié)作感知技術可以對多個節(jié)點的感知結果進行融合，提高感知的可靠性。一種經典的協(xié)作頻譜感知技術架構如圖4 所示。

圖4 一種典型的協(xié)作頻譜感知技術架構

4 頻譜分析及決策

頻譜分析是基于頻譜感知獲得的頻譜利用狀態(tài)，構建頻譜決策動作空間與信道容量等優(yōu)化目標間的數學模型，完成問題數學建模。頻譜決策是指在完成頻譜感知和頻譜分析的基礎上，完成無線頻譜的動態(tài)分配工作，并確定通信參數和調制模式等通信要素。本部分主要介紹認知無線電的頻譜動態(tài)分配和參數重配置。

4.1 動態(tài)頻譜分配

在認知無線電系統(tǒng)中，動態(tài)頻譜分配技術是保證頻譜高效利用的關鍵技術，目前關于頻譜分配技術有多種分類方法。最常用的分類方法是根據接入方式將頻譜分配技術劃分為完全受限頻譜分配和部分受限頻譜分配。完全受限頻譜分配是指認知無線電網絡的頻譜分配只受限于授權用戶的頻譜占用情況，采用“見縫插針”的方式接入，當授權用戶需要使用該頻譜時，CR 用戶必須立即釋放該頻譜。部分受限頻譜分配則允許CR 用戶在不對授權用戶造成干擾的情況下使用與授權用戶相同的頻段。若按網絡結構分類，根據是否需要大計算量的中心控制器，動態(tài)頻譜分配又可分為集中式頻譜分配和分布式頻譜分配。另外，還可根據頻譜分配過程中是否存在合作將頻譜分配分為合作式頻譜分配和非合作式頻譜分配，類似的分類方法還有很多，在此不再一一贅述。

實現頻譜動態(tài)分配的核心是頻譜動態(tài)分配算法。而頻譜動態(tài)分配算法的關鍵在于其最優(yōu)效益函數，不同的最優(yōu)效益函數可以從不同的方面衡量網絡效益。目前較為通用的三種最優(yōu)效益函數為：

（1）最大化帶寬準則（MSB,Max Sum Bandwidth）

MSB 的優(yōu)化目標為整個系統(tǒng)的頻譜效益，而不關心單個用戶的頻譜效益，MSB 的最優(yōu)化表達式可以寫成如下形式：

其中an,m為根據頻譜感知得到的可行頻譜分配矩陣A中的元素，取值為0 或1，表示用戶n 是否可用頻譜m。bn,m表示的是用戶n 使用頻譜m 帶來的增益（通常為帶寬）。從式（10）中可以看出，MSB 是以最大化系統(tǒng)帶寬總和為目的的。

（2）最大化帶寬準則（MMB,Max Min Bandwidth）

從式（11）可以看出，MMB 的目標是將被分配到最小帶寬的用戶的帶寬最大化，與MSB 相比，MMB 考慮了用戶之間的公平性問題，將受限用戶的頻譜利用率最大化

（3）最大化帶寬準則（MPF,Max Proportional Fairness）

MPF 更加著重考慮了用戶之間的公平性，它以最大化每個用戶間的公平性為目標，實現頻譜的公 平分配。

根據網絡最優(yōu)效益函數，可以設計相關的動態(tài)頻譜分配算法進行動態(tài)頻譜分配，在不影響授權用戶體驗的情況下，提高無線頻譜資源的利用率。

4.2 通信參數重配置

在認知無線電網絡中，頻譜決策不僅需要完成分配頻譜的工作，還要為每個CR 用戶設置最優(yōu)的通信參數。認知無線電中通常使用的參數有信道帶寬、工作頻率、傳輸功率、編碼和調制方案等。其中信道帶寬、工作頻率等已在頻譜分配部分確定。而傳輸功率和編碼調制方案也會對認知無線電中的無線通信過程帶來較大影響。例如，通過對傳輸功率的控制，可以降低信道間干擾，最大化網絡性能或最小化功耗。而根據用戶需求和信道情況，認知無線電又可以自適應地調節(jié)編碼調制方案以提高網絡效益和網絡資源利用率。

5 總結及展望

認知無線電的出現大大提高了頻譜資源的利用率，有效緩解了無線頻譜的供需矛盾。經過近20 年的理論研究和標準化進程，認知無線電已經形成了一個較為完備的理論體系，并在諸如Mesh 網絡、Ad-hoc 網絡等方面取得較為廣泛的應用。但不可否認的是，現階段認知無線電的研究仍然面臨著許許多多的難題，例如快變信道下的頻譜感知，超寬帶頻譜下的空穴檢測等等，另外，信息時代用戶數量的爆發(fā)式增長也向傳統(tǒng)的集中式頻譜分配方法提出了挑戰(zhàn)……這些都是未來認知無線電領域需要攻克的難題。

認知無線電概念的提出挑戰(zhàn)了現行的頻譜管理體制，給無線通信帶來新的發(fā)展空間。近年來，越來越多的學者和產業(yè)界人士加入到認知無線電的研究中來，在認知無線電的各個環(huán)節(jié)不斷推陳出新，提出了諸如壓縮頻譜感知、協(xié)作頻譜感知等新理論、新方法?？偠灾?，認知無線電已經成為了未來通信熱點之一，認知無線電的發(fā)展必將深刻地推動整個通信領域乃至人類社會的進程。