感知无线电技术

1、认知无线电技术1 无线电通信频谱是一种宝贵的资源，目前的频谱管理主要存在3个方面的矛盾情况：频谱使用是动态的，但频谱分配是固定的；频谱是稀有资源，但频谱利用率不高，且存在大量空闲；可分配频谱很少，但无线通信业务量和新技术在快速发展，频谱需要量也在快速增长。导致这些矛盾的根本原因在于固定分配频谱方案和独占频谱使用权（即业务接入权或频谱准入权）原则，因此有必要改变目前的频谱分配和频谱准入的管理办法，目前ITU和FCC等无线电法规部门都已开始讨论和研究这个问题。但由于固定频谱分配方案过去在频谱规范管理方面曾发挥过很好的作用，同时存在巨大的经济和政治背景，短期内改变这种状况很困难。因此，现阶段最实际的

2、办法是通过改变业务接入权或频谱准入权，以开放频谱使用、提高频谱使用效率和充分利用空闲频谱。特别是如果能够将已分配但大量空闲的频谱资源加以合理利用，目前频谱资源的紧张状况将得到极大的改善；在军事通信对抗环境，往往既定的通信传输频段因被敌方干扰或传播环境恶劣而无法通信，必须寻找可以利用的空闲频谱进行通信。这样，迫切需要一种技术来解决开放频谱和提高频谱利用效率问题。目前已有一些提高频谱利用效率的方法，但不能从根本上解决问题，另外开放频谱必须保护已购买频谱者的利益，同时不能对授权使用该频谱的业务和系统产生严重的干扰，影响它们的正常通信。感知无线电（Cognitive Radio，CR）提供了一种按伺机

3、的方式共享和利用频谱的手段，它可以有效地解决这两个问题。目前采用的是基于频谱授权的静态频带分配的原则。随着无线通信技术的高速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，然而绝大多数国家的频谱资源利用率却不容乐观1。认知无线电技术正是基于这一问题提出的。认知无线电是一种用于提高无线电通信频谱利用率的新的智能技术。具有认知功能的无线通信设备可以感知周围的环境，再利用已经分配给授权用户，但在某一特定的时刻和环境下并没有被占用的频带，即动态再利用“频谱空穴”；并能够根据输入激励的变化实时地调整其传输参数，在有限信号空间中以最优的方式有效地传送信息，以实现无论何时何地都能保证通信的高可靠性和无线频谱利用的高效性2

4、。认知无线电的一个基本的认知周期要经历三种基本过程：感知频谱环境；信道识别；功率控制和频谱管理。其中，认知无线电的首要任务是感知频谱环境，即频谱空穴的检测和选择。2 频谱环境的感知感知频谱环境是认知无线电首要的任务，它体现了认知无线电最显著的特征：能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的频谱空穴。目前，认知无线电可能最先使用的两个频段是超高频电视频段400MHz-800MHz 和已分配较少的3GHz-10GHz频段3。但不可否认的是，随着认知无线电技术的发展，会有更多的已分配频段供认知用户使用。可见，认知无线电将会面对不同种类的用户，也就要求不同的灵敏度和感知速度，因此频谱环境的检测方法也

5、有所不同。目前研究较多的方法有：匹配滤波器法、能量检测法、循环平稳特定检测法等等。3 极弱信号的检测问题在认知无线电网络中，极有可能出现接收机的位置距离原始发送机太远，以至于它们从边缘开始接受信号的情况。此时，频谱环境的感知可归类为极弱信号的检测问题。我们不仅可以通过改进频谱检测法来提高弱信号的检测概率，还可以引入“协同机制”来更好地改善极弱信号的接收问题。我们建立一个简单的模型来说明协同机制的原理，如图3所示，接收机R距离授权发送机P很远，只能从P用户功率边缘上接受信号，即接收极弱的信号。此时C1进行频谱检测后，极有可能误认为该频带是频谱空穴。为了防止对授权用户P造成干扰，我们引入协同机制。

6、假设存在认知用户C2满足条件：C2处于P发射的功率主瓣范围内，并且C2 与P 之间的距离相对于R 与P 更近。这时，由C2 作为C1 的中继点来感知P的发射功率，则能比较准确地分辨出P是否在和R进行通信。C1将数据包发送给C2，由C2 来转发，如果P 与R 正在通信，C2 就返回给C1一个信息，由C1决定是否等待或是寻找另外的频谱空穴。这样，C1 和C2就构建了协同的关系，使C1 更快更准确地感知频谱环境。上述的模型是比较简单的情况，只考虑了两个认知用户。当模型更复杂些，例如多用户的感知网络时，就必须考虑怎样建立协同机制的问题了。一些文献给出了相关讨论，提出在多用户的感知网络中，两两绑定的协同

7、机制是比较实用的，即每两个认知用户为一组，相互协同完成频谱环境的感知7。该协同机制在很大程度上提高了感知频谱环境的准确性与效率，并且实现起来也比较容易.5 感知无线电是一种无线电系统，它能够自动地检测周围的环境情况，智能地调整系统的参数以适应环境的变化，在不对授权用户造成干扰的条件下从空间、频率、时间等多维地利用空闲频谱资源进行通信。它区别于其他传统无线电系统的主要特点是：对环境情况的感知能力、对环境变化的自适应性、系统功能模块的可重构性、自主地工作和运行等。感知无线电技术是无线电发展的一个新里程碑，其应用会带来历史性的变革。对于频谱管制者而言，该技术可以大大提高可用频谱数量，提高频谱利用率，

8、有效利用资源；对于频谱持有者而言，利用该技术可以在不受干扰的前提下开发二级频谱市场，在相同频段上提供不同的服务；对设备厂商而言，该技术可以带来更多的机会，具备感知无线电功能的设备将更具竞争力；对终端用户而言，可以带来更多带宽，在感知无线电技术成熟后，用户则可以享受到单个无线电终端接入多种无线网络的优势；在军事通信方面，根据感知无线电的特点可以“见缝插针”地利用空闲频谱通信，提高通信的可靠性和对抗能力。因此，感知无线电技术必将是未来无线通信的一个重要发展方向，为无线电资源管理和无线接入市场带来新的发展契机和动力。6认知无线电技术的发展现状目前，CR主要出于初级阶段，各项理论和技术处于研究和探索中

9、，但它已得到了各界的关注，很多著名学者和机构投入到它的研究中。启动了很多正对此的研究项目，最引人注目的是IEEE802.22工作组的工作，该工作组制定了利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。无线电知识描述语言也应运而生，惊奇CR的主要目标是提高频谱利用率，研究预计，频谱利用率将提高3% 到10%。它的长远目标是与各项技术更好的结合，满足日益增长的用户对频谱的需求，目前，认知无线电技术炙手可热，应用前景一片大好。综上可知，认知无线电技术使无线通信设备具有发现频谱空穴并合理利用空穴的能力，可以实现高效灵活的频谱资源配置和工作状态调整。认知无线电