第5章 认知无线电概论

1、第5章 认知无线电概论 5.1 从软件无线电到认知无线电 5.2 认知无线电与软件无线电的关系 5.3 认知无线电的技术特点 5.4 认知无线电的关键技术 5.5 认知无线电的认知技术 5.6 认知无线电的国际标准组织 5.7 认知无线电的系统结构 5.8 认知无线电与软件无线电的应用举例 5.1 从软件无线电到认知无线电 软件无线电是一种令人激动的无线通信技术。 它是通信技术与数字信号处理、计算机技术等 相融合的产物，它使人们用一个单一的无线终 端，就可以实现如今多种终端设备的功能。 但是，通信中的基本矛盾：日益增长的用户需 求、和日见拥挤的频谱资源之间的矛盾越来越 突出。 由于授权频段的独

2、享性和非授权频段的饱和， 频谱资源的紧张已经成为制约无线通信业务发 展的瓶颈。 5.1.1 发展背景 在频谱重用技术的研究中，有以下两个方向： （1）降低信号的功率谱密度，来进行频谱复用。 （2）采用灵活的频谱管理技术，来提高频谱利用率。 当前存在最主要问题，不是没有频谱可用，而是现有 的频谱利用率严重不足，这就是所谓频谱空洞问题。 频谱空洞是指：分配给授权用户的一个频段，在特定 时间和特定区域时，这个频段未被授权用户使用。 认知无线电的思想是：在授权用户不使用的情况下， 未授权用户可以接入频谱空洞，以提高频谱的利用率。 2. 认知无线电的含义认知无线电的含义 认知无线电就是一种智能的无线通信

3、系 统，它具有以下能力： （1）可以感知周围环境、并进行学习。 （2）可以利用上述结果，调整自己的参 数： 3. 认知无线电的功能认知无线电的功能 认知无线电具有以下主要功能： （1）频率捷变：能够改变其工作频率、以适应环境。 （2）动态选择：能够感知附近信号、以选择最佳工作环境。 （3）自动调制：可重配置传输特性与波形，以开发频谱利用的机 会。 （4）功率控制：能够自适应调节发射功率，以保证频谱共享。 （5）位置感知：能够确定在相同频段中自身的位置、以及其他设 备的位置，以改变传输参数、增加频谱重用。 （6）谈判使用：可以按照预先同意的方案共享频谱。 4. 认知能力认知能力 认知能力是认知无

4、线电与软件无线电的区别所在。它 是捕获与感知无线环境信息的能力。 认知能力是一项相当复杂的技术，它可以获得无线环 境在空间、以及时间域上的变化情况。认知能力具有 以下作用： （1）确定特定的时间和空间频谱中未被使用的部分。 （2）根据上述信息，选择最好的频段与合适的传输参 数，以不干扰授权用户。 （3）若这个频段有授权用户，则或者离开这个频段， 或者改变发射功率、调制方式等参数，以保证不干扰 授权用户。 5. 可重配置能力可重配置能力 可重配置能力，使得无线系统，可以在不需要任何硬 件变化的条件下，根据无线环境动态改变系统结构和 参数。 可重配置能力，使得无线系统可以方便的配置以下传 输参数：

5、 （1）工作频率。 （2）调制方式。 （3）发射功率。 （4）通信协议等等。 特别需要强调的是：这些传输参数的重配置，不仅可 以在传输开始时进行，而且可以在传输过程中进行。 5.2 认知无线电与软件无线电的关系 频谱是通信中能够使用的重要资源。认知无线 电就是利用频谱空洞提高频谱利用率的软件无 线电。 5.2.1 概述 软件无线电、认知无线电是一类新型的无线电。 软件无线电是认知无线电的基础，认知无线电 是软件无线电的高级形式。 5.2.2 软件无线电的发展 图5-3为软件无线电的发展与认知无线电 的关系。 1. 软件无线电软件无线电 I在美国通信系统会议上，受次明确提出了软件 无线电的概念。

6、 以灵活性为发展轴线，软件无线电的发展经历 了以下阶段： （0）数字硬件无线电。 （1）软件控制无线电。 （2）软件定义无线电。 （3）理想软件无线电。 （4）终极软件无线电。 2. 认知无线电认知无线电 1999年，Joseph Mitola III发表文章，首 次提出了认知无线电的概念，并描述了 如何通过无线知识描述语言（RKRL）来 增强个人无线业务的灵活性。 2000年5月，Joseph Mitola III给出了认知 无线电的概念综述。 5.2.3 认知无线电的平台 1996年，Wayne Bonser创立了软件无线 电论坛，其目的在于建立软件无线电硬 件和软件行业标准，保证软件不仅

7、能工 作于多个硬件平台，而且可以定义标准 化接口，以促进多个硬件提供商间的软 件移植，促进多个提供商间软件中间件 的综合。 5.3 认知无线电的技术特点 认知无线电是一种智能无线通信系统，它可以 感知周围环境、并进行学习，利用相应结果来 调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源 完成无线传输。 5.3.1 概述 认知无线电的目标包括以下两个方面： （1）最优化自身性能。 （2）支持用户需求。 5.3.2 认知能力 认知能力是指，系统具有捕获、或者感知来自 周围无线环境的信息的能力。 认知能力是一种相当复杂的技术，它可以获得 无线环境在时间域、空间域上的变化情况。 1. 认知任务认知任务 认知能

8、力是通过认知任务的完成来实现的。图 5-4给出了认知任务示意介绍。 2. 系统协调系统协调 通过对认知任务的分析，可以看出：认 知无线电系统为了完成认知任务的三个 部分，需要发射机中的认知模块与接收 机中的认知模块协调工作。 3. 认知程度认知程度 在认知无线电中，不同系统的认知程度 是不一样的。 5.3.3 可重配置能力 可重配置是指：系统的操作软件、或者硬件的改变。 重配置能力，是软件无线电所具有的能力，也是认知无线电的技术特点 之一。两者的区别在于： （1）软件无线电：采用多个软件模块在相同的系统上可以实现不同的标 准。只需要选择不同的模块运行，就可以实现系统的动态配置。系统的 可重配置

9、主要是为了改变系统的功能，比如： 1）卫星接收机。 2）车库遥控器。 3）多媒体播放器。 4）蜂窝手机等等。 （2）认知无线电：根据无线环境，不需要任何硬件改变，动态改变系统 的结构与参数，以自适应无线环境。系统的可重配置主要是为了适应无 线环境。 （3）所需要的软件模块可以通过软件下载获得升级。 5.4 认知无线电的关键技术 认知无线电作为智能化的软件无线电，除了需要第2章 所介绍的软件无线电的关键技术之外，为了能够智能 利用频谱空洞，还需要一些技术，比如： （1）地理定位技术。 （2）频谱感知技术。 （3）人工智能技术。 （4）网络技术。 （5）电磁兼容技术。 （6）认知技术等等。 5.4

10、.1 地理定位技术 地理定位技术，是认知无线电中的一项关键技术。为 了充分利用频谱资源，系统必须首先知道自己的位置 和时间信息，才能进行以下操作： （1）计算能够最佳连接到另一个系统的天线指向角。 （2）设置无线传输数据包，以保证在准确的时隙到达 该系统的接收机处，而对其他用户的干扰最小。 （3）完成日常任务、实现用户目标。 5.4.2 频谱感知技术 频谱资源短缺是无线通信的首要问题。 利用频谱空洞、提高频谱利用率是认知 无线电的优势所在。 认知无线电，就是一种频谱感知无线电。 频谱感知技术提供了从根本上改变管理 干扰的契机，使得用户可以协同优化频 谱，提高频谱利用率。 5.4.3 人工智能技

11、术 软件技术是认知无线电发展的关键，在 促进认知无线电快速发展的软件技术中， 人工智能技术是一个有效的技术。 人工智能（AI：Artificial Intelligence）是 研究、开发用于模拟、延伸、扩展人类 智能的理论、方法、技术及其应用系统 的一门新兴技术科学。 5.4.4 网络技术 随着通信技术的飞速发展，用户对网络的依赖 程度不断提高。通信与计算机的结合使得网络 的应用逐渐增加。特别是移动互联网的普及， 用户与系统之间的交互越来越多。 用户与网络之间的交互模型，如图5-11所示。 交互模型需要共同的通信协议，提供应用接口、 传输应用要求的网络业务。 5.4.5 电磁兼容技术 电磁兼

12、容（EMC：Electromagnetic Compatibility），是指电气及电子设备在 共同的电磁环境中、能执行各自功能的 共存状态。即，要求在同一电磁环境中 的各种电气、电子设备都能完成自身的 功能，而不致于在其环境中产生不允许 的干扰。 5.5 认知无线电的认知技术 认知无线电是智能化的软件无线电。它 与其他无线电的主要区别就是，认知无 线电具有认知能力，它可以感知周围环 境、寻找频谱空洞、自适应调整自身传 输参数，完成无线通信。 5.5.1 概述 认知技术是认知无线电的核心技术，它 涉及到以下方面： （1）物理层与链路层。 （2）位置意识。 （3）网络意识。 5.5.2 无线场景

13、分析 为了完成认知任务，认知无线电系统首先需要 进行无线场景分析：对周围无线环境进行感知、 分析无线电传输特征、找出频谱空洞，以便完 成通信。 无线场景分析包括以下工作内容： （1）估计干扰温度。 （2）检测频谱空洞。 （3）形成自适应波束。 5.5.3 频谱空洞检测 认知无线电，就是在授权用户不使用的 情况下，未授权用户可以接入频谱空洞， 这样可以频谱利用率。 5.5.4 自适应波束形成 上述频谱检测技术是在分析射频激励的时间特 性。为了考虑射频激励的空间特性，需要采用 自适应波束形成技术。 使用自适应波束形成技术，可以实现认知无线 电的干扰控制。干扰控制分为以下两个部分： （1）发射机部分

14、。 （2）接收机部分。 5.5.5 信道容量估计 信道容量估计，是指认知无线电系统在 完成估计干扰温度、检测频谱空洞之后， 在估计信道状态、预测建模时，对频谱 空洞特性进行分析。 5.5.6 动态频谱管理 所谓动态频谱管理，是指认知无线电系 统使用频率的选择，用于保护授权用户 的使用、并且提高频谱利用率。 频谱动态管理，也称为动态频谱分配。 5.6 认知无线电的国际标准组织 在认知无线电的发展中，政府、军方、国际组织的作用是非常重 要的，这是任何一项重大的新技术发展、普及的条件。 5.6.1 概述 美国政府定义了一种标准化软件体系结构，称为软件通信体系结 构（SCA：Software Comm

15、uniction Architecture），成为软件无线 电的体系结构标准。 认知无线电的发展是基于许多技术的，美国国防高级研究计划局 （DARPA：Defense Advanced Research Projects Agency）资助了许 多研究人员，从事相关的技术研究。 因特网工程任务组（IETF：Internet Engineering Task Force）和许 多无线组网研究人员发展组网技术，其研究焦点是让无线网络像 有线的因特网一样普及。 5.6.2 认知无线电工作组 2003年8月，软件无线电论坛开始探讨开发智 能无线设备、提高频谱利用率。 2004年10月，软件无线电论坛成

16、立了认知无线 电工作组与认知无线电特殊兴趣组，开展认知 无线电技术研究。 1. 认知无线电工作组认知无线电工作组 认知无线电工作组的主要任务是： （1）标准化认知无线电定义。 （2）确认可以用于认知无线电的技术。 2. 认知无线电特殊兴趣组认知无线电特殊兴趣组 特殊兴趣组的任务是：对工作组所确认 的技术，确定其商业应用价值。目前主 要致力于开展以下工作： （1）认知无线电平台的分析。 （2）多模式调整功能的研究。 5.6.3 无线区域网络工作组 无线区域网络工作组，是美国电子和电气工程 师学会（IEEE）下属的IEEE 802.22工作组。 无线区域网络工作组的主要任务是开发和建立 一套基于认

17、知无线电技术、在现有电视频段、 利用暂时空闲的频道进行无线通信的区域空中 接口标准。 系统工作于54 MHz-862 MHz的VHF/UHF频段 上未使用的电视信道，工作模式为点到多点。 5.7 认知无线电的系统结构 认知无线电系统利用频谱感知、授权业务检测、 冲突避免、频谱管理技术等，来实现与现有授 权业务共存、以及在授权服务中共享无线资源。 5.7.1 认知无线电系统组成 认知无线电系统是基于软件无线电的、能够自 适应无线射频环境的无线电通信系统，其功能 框图如图5-24所示。 5.7.2 认知无线电发射机 认知无线电系统的发射机的一般结构， 如图5-25所示。 5.7.3 认知无线电接收

18、机 认知无线电接收机的一般结构如图5-26 所示。 5.8 认知无线电与软件无线电的应用举例 5.8.1 概述 软件无线电与认知无线电已经取得了很 大发展，在许多领域得到了比较广泛的 应用，下面给出几个典型的例子。 5.8.2 软件控制无线电 软件无线电应用的一个例子是：美军在 可编程模块化通信系统（PMCS）的研制 过程中，使用了软件无线电的设计思想。 5.8.3 综合航电系统 例5-11 美军的通信、导航、识别综合航 空电子（ICNIA）系统计划。 5.8.4 战术抗干扰可编程信号处理器 例5-12 美军的战术抗干扰可编程信号处 理器（TAJPSP）计划。 5.8.5 无线区域网络 例5-

19、13 基于认知无线电技术的无线区域 网络。 5.9 本章小结 本章概述了认知无线电的基本概念、主要特点、基本技术、应用系统等。读者需要理解以下 问题： （1）从软件无线电到认知无线电发展过程：认知无线电是软件无线电智能化发展的最高形式。 （2）认知无线电与软件无线电的关系：软件无线电是认知无线电的基础，认知无线电是软件 无线电的智能形式。 （3）认知无线电的技术特点：认知能力和可重配置能力。可以感知无线射频环境状态，发现 频谱空洞，自适应调整自身参数，在不干扰授权用户的条件下，进行无线通信。 （4）认知无线电的关键技术： 1）地理定位技术。 2）频谱感知技术。 3）人工智能技术。 4）网络技术。 5）电磁兼容技术。 6）认知技术等等。 （