认知无线电技术的研究与应用

认知无线电技术的研究与应用

1基于频谱使用的管理问题的提出近年来，越来越多的人对rfid技术有了看法，民用市场也为其预留了位置。频谱管理部门已经认识到,认知无线电技术不仅给传统的通信带来了变革,更为频谱资源的利用与管理带来了新的难题和挑战。作为一种能感知其工作环境并能自主动态地调整工作参数的无线电技术,认知无线电的诞生使得频谱使用和管理由传统的“树状结构”向“网络结构”发展。为了在该技术大规模投入市场运营之前全面掌握其应用规律和潜在影响,从源头上有效实施对认知无线电业务的管理,笔者也开始涉足对认知无线电的初步研究。为了避免研究工作所设定的目标过大,造成研究工作无法深入开展,我们认为可以将认知无线电的实现过程划分成若干个阶段,以增强研究工作的可操作性。2研究工作宏观上还存在着一定的不足(1)理论分析充分,可操作性不足目前,国内大部分研究工作已经将认知无线电的思想、理论甚至实现流程描述得非常清晰,但具体到实际的硬件试验台、设备、信号以及相关参数,还不够细化和深入。这在一定程度上造成了研究工作头绪虽多,却又无从下手的局面。(2)研究成果多,利用率不高由于大家各自进行研究,研究工作存在着大量的重复性劳动,相互借鉴少,缺少一定的延续性,没有形成“滚雪球”的效应。(3)涉足面过宽,解决问题浅尝辄止认知无线电涉及的知识领域宽,既包括宽带射频前端技术,又包括合作机制、信号检测监测技术、网络协议及QoS保证机制等。但当前的研究设定的实现目标大多过高、过于理想化,造成研究工作比较零碎,难以指导实践。3认知无线电技术的实现应当看到,认知无线电最终着眼于“协同使用频谱资源”,既追求高度可靠的通信方式,也追求高效的频谱利用率,它针对的是区域内多个系统、业务,而非仅仅针对单一的系统、业务。认知无线电最初是基于软件无线电提出的,软件无线电为认知无线电提供了基本的系统硬件参考模型,也提供了软件基础设施,这些基础设施能够支持认知算法所需的灵活性。认知无线电在此基础上添加了智能化的成分,这是一个更高层次的概念,包括了信号处理以及根据任务、政策、规则、目标进行推理、规划的功能,它的两大主要特征是认知和重新配置。认知无线电的重新配置功能,可以看作是软件无线电在执行认知后获取的任务。认知无线电系统存在的前提是必须依托于传感器(高速宽带射频前端)、推理算法、动作模型等结构组件,它由射频前端(即设施基础)、接口协议(即抽象规范)、操作实体(履行认知功能的实体)三大块组成。如果进一步细化,认知无线电技术的实现可以概括为三个主要处理步骤、两个中间环节和两个接口,而且这个流程是循环进行的,并非截止于执行,它在执行某一决策的同时已经开始新一轮的认知,见图1。(1)三个处理步骤(1)感知频谱:目前已有的技术包括监测、检测和探测技术,认知无线电更关注多点感知,更确切地说是协同感知。任何无线电对完全理解它所处环境的能力都存在固有限制,网络和分布式是认知无线电的两大显著特点。(2)信息融合:它的执行者既可以是用频设备本身也可以是特设的信息中心,主要是对来自各感知节点的信息进行综合处理,包括频谱特性分析、网络内部状态、外部相关数据、无线电资源分析、预测及发现频谱“空洞”。目前已经有相对比较成熟的数字信号处理技术,经过多年的发展形成了各具特色的算法和理论,在合适地选取后,可在特定的空间、时间、频域展开分析。(3)决策制订:依据一定的准则,重新配置传输参数(包括传输速率、可接收的误码率、最大延迟、传输模式、传输功率和传输带宽等),或切换频谱,或改变脉冲波形以实现在特定频带上的最佳运行。决策制订的最终目标就是实现可重构通信,提高通信质量,合理利用频率资源。为了确保能在尽量短的时间内作出近似于智能型的决策,我们需要做好建立决策库的准备。到目前为止,还不能完全实现脱离了人为干预的智能通信。(2)两个中间环节(1)信息传输:有两种传输方式,一种是集中式,另一种是分布式。集中式由区域内的信息枢纽向多用户进行机会均等的发布。分布式传输发生在该区域内的任意两个用户之间。认知无线电更强调位置和网络意识,这两种传输均建立在分布式感知的基础上。(2)决策标准:这是认知无线电设备最终调整参数的依据,也是判决标准。既要依据宏观政策、标准及接入协议的限制,又要考虑到用户的要求、传输的最低配置要求和整个用频环境的情况(来自信息融合的结果)等,频谱管理部门分配的频谱资源、业务需求等信息也是决策因素,每种因素占多大比例都是本环节要研究的内容。(3)两个接口主要指三个处理步骤之间的交互接口,包括空中协议、数据格式及语义、高层协商规则等。接口一,定义的是用频设备感知信息的传输;接口二,定义的是决策信息向用频设备的发布。4认知无线电的确保在充分利用各项研究成果的基础上,为了有效开展认知无线电的研究工作,避免重复性研究,需重点关注以下几个方面。(1)统一接口解决接口问题实际上是对认知表述的制订和规范。从各种文献来看,算法各异,数据表述形式各异(如符号表述、行为表述等),既要考虑无线电表述语言的准确性和灵活性(即合理地描述用频环境信息),又要考虑研究工作具备可移植性、可继承性。因此,我们建议在研究初期就进行接口协议的研究,规范接口并预留出接口的扩展空间,以便后续工作的深入。其中,RKRL这种无线电知识描述语言就是瑞典皇家科学院专为认知无线电开发的一套语言结构体系。利用这种标准语言,认知无线电系统突发的数据变换可被动态定义,其代理可以快速地通过操作相关协议使无线规则更好地满足用户需求。(2)信息融合如何将各节点的感知信息最大化地利用起来,是信息融合要解决的问题。认知无线电是一个非常复杂的系统,当多个认知无线电系统共同工作时,相互之间一定会产生“碰撞”。基于网络需求和资源的可重用性,采用什么样的分组策略来分析、获取可用频率资源的频谱特性,对特性参数进行定义和说明,使认知无线电能够作出最符合用户要求的判决,这是本步骤的关键。笔者认为,现有已经非常成熟的网络运行机制,给了认知无线电一个很好的启示。(3)决策标准决策标准的主要依据是各用频设备对传输质量的要求(如传输速率、传输带宽等),但也要兼顾公平性和通信成本,不同类型的业务和用频方式具有不同的判决标准。同信息融合一样,决策标准也是一个尚未得到充分研究的开放领域。(4)以硬件平台为依托硬件平台是实现认知无线电的物理基础,无论开展哪一个环节的研究,最好都能立足于硬件实体,以实现认知通信为最终牵引,增强研究成果的可操作性和指导性,为后续工作的深入开展打好前站。(5)合理利用现有资源认知无线电技术并非曲高和寡,从目前的一些技术和装备来看,其固有思想已经初现端倪。如具有监测功能的通信装备、虚拟侦察接收机,已经有相关的研制单位投入生产。尽管还没有提到认知无线电这个高度,但对外界环境的监测和感知就是对传统通信功能的一个增强。在开展认知无线电技术研究时,可预设一个贴近技术实际的假想目标(实际上不可能设计理想的认知无线电,只能让无线电在环境和需要变化时不断对自身进行设计或再设计,寻求最佳的均衡),选取其中的任一步骤或环节展开,利用现有的技术实现它,以此为基点逐步铺开和深入。5知无线电设备成为活跃元素(1)角色转换人的角色逐渐从用频的最前端退居一旁,成为督导,更注重规范的制订和用频大环境的治理,而