认知无线电技术的基础性探析

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计算技术
与 信息发展
认知无线电技术的基础性探析
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摘
张斯佳
湖南?长沙 410137）
（湖南省机场管理集团有限公司
要： 现代通信技术快速发展， 各种先进的无线通讯技术不断出现， 认知无线电技术就是众多先进新型的无
线通讯技术之一， 它能够通过时间的学习和经验的集聚智能化的认知整个通信过程， 从而可以不受时间和空间 的限制， 在任一时间和地点满足用户的通信需求， 也使得通信的频谱利用达到最高。简要的对认知无线电技术 的概念、 技术特点、 一些典型的体系结构等进行基础性探析， 以为后续研究工作的开展奠定基础。 关键词：认知无线电技术 中图分类号：TN91 技术特点 体系结构 文章编号：1007-3973（2010）011-034-02
文献标识码：A
1 前言 现代通信技术快速发展，各种先进的无线通讯技术不断 出现，认知无线电技术就是众多先进新型的无线通讯技术之 一，它能够通过时间的学习和经验的集聚智能化的认知整个 通信过程， 从而可以不受时间和空间的限制， 在任一时间和地 点满足用户的通信需求， 也使得通信的频谱利用达到最高。 2 认知无线电技术的特点 与软件定义无线电 （SDR） 相比而言， 作为现代科技技术的 综合产物的认知无线电技术具有很多自身独特的特点。 2.1 地理定位 CR 主要是采用 GPS 技术进行地理的定位， 它的基本原理 则是通过接收卫星发射脉冲到达的时间不同进行定位，这样 的地理定位技术在 CR 技术中应用相当广泛。因此地理位置 对 CR 来说相当重要， 它能够让 CR 明确知道自己的位置、 曾 经或已经走过的路径、 以及目的地， 与此同时可随时告诉需求 用户自己所在的位置。此外在无法使用 GPS 信号的情况时， 还可以采用无线电信号的三角测量法进行定位， 这是 CR 的独 特点之一。 2.2 频谱感知 CR 技术可以有效对各类频谱进行识别， 在识别的基础上 利用感知技术在不同频谱间进行切换， 并根据用户的需求进行 分配。由此可进行无线通信的认知行为。同时因为 CR 对电 磁环境充分认识， 所以 CR 可选择合适的通信频率、 网络模式 和协议等进行有效的通信， 而避免电磁环境对频谱的干扰影响。 2.3 生物测定学 生物测定学是指通过生物测定传感器的感应作用来保护 合法用户的相关权利。 用户的合法性将由生物感知器所决定， CR 技术就是利用一个或多个生物测定传感器， 能够验证该用 户是否合法， 对合法用户则予以保护， 对非法用户则予

以拒绝。 例如通常可以通过语音指纹的相关性，去识别通信发射端是
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否是授权的合法用户， 通信接收端则利用对语音进行解码， 分 析鉴别， 从而判定是否是可信合法的用户的语音。 2.4 时间戳 时间是一个人类很需要的离不开的东西，它的作用又是 显得至关重要， 尤其是在人与人的交流中、 在合作双方签订合 作合等各种人类活动中，它往往关系到整个事件行为的顺利 进行和成败。CR 的智能化已经决定其具有一定的人来认知 行为， 它如同人类般知道自己的时间、 计划安排以及行为终止 日期对自身的发展的重要性。CR 可以利用时间不断进行学 习， 积累和提高互操作的行为和经验； 按照自己的时间计划进 行动作， 如密钥更化， 从而让自己变得更 “聪明” 。在 CR 中通 常利用 GPS 技术进行时间的提取， 有时候则利用自身的晶体 分频进行提取，但值得注意的是因为晶体时间存在着基准误 差， 因此往往需要定期校正。 2.5 空间感知或环境认识 CR 的空间感知或环境认识让其可以成为个人的很好的 助手， 这是 CR 的一个明显的高于其它技术的一个特点。CR 一方面帮助人们在需要的时候及时进行有效的无线通信，另 一方面它也会在用户繁忙或者不适合通信的时候对过来的通 信信号予以阻止，例如当用户正处于一种不想让人打扰的情 境下， 这种情境可能是用户在上课， 或是在参加一个重要的活 动讲话中， 亦或是睡觉中等等， 则可以通过判断用户处于 CR “用户可以打扰” “用户不能打扰” 还是 状态， 从而给予请求端 相应的通信信息， “用户不能打扰” 如在 下则自动告知拒绝信 息给通信请求端用户。 3 认知无线电技术的典型体系结构 SDR、 传感器、 感知和机器的自适应学习， 这几个基础部 分的有机组合构成了 CR 典型的体系结构。这几个部分充 分发挥各自的功能， 独自又成整体的进行运行， 能够有效识 别和感知环境、 自适应于环境。以此为基础，CR 通过其对
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环境的观察， 适应， 计划， 判决， 行动和学习， 完成很好的信息 通信。因此 CR 技术典型体系解雇主要包括两部份， 第一部 分是 CR 功能组件和设计规则， 第二部分则是 CR 的认知循 环过程。 3.1 CR 功能组件和设计规则 （1） 功能模块主要包括 SDR 模块和 CR 节点功能模块。 CR SDR 模块 SDR 模块包含具有射频处理和计算资源的硬件平台 和具有至少一种能为用户定义的软件。SDR 模块的软件结构 主要由国际 SDR 论坛所决定，其硬件平台规范则由注明的 OMG 所定义。目前来说，SDR 体系架

构有三种模型：UML （Unified Modeling Language） 对象模型； CORBA 接口设计语 言 IDL； XML 描述的 UML 模型。 CR 节点功能模块 CR 节 （2） 点功能模块主要包括如下 6 个节点模块： 用户感知接口 （SP） ： 主要用于对声音、 图像、 触觉的传感感知； 环境传感器 （Enviroment） 包含地点、 ： 温度、 罗盘等； 系统应用 （Sys apps） 媒体的 ： 独立应用； SDR 功能 （SDR） 主要指射频感知和 SDR 应用； ： 认 知功能 （Cognition） 系统控制、 ： 计划、 学习等组合形成的认知 能力； 本地作用器： 语音合成、 文件、 多媒体的显示。这 6 个节 点功能模块统一集成于一体， 安装在 CR 技术运行的统一的硬 件平台中， 以保证各功能的正常有序运行， 很明显的可以看出， 集成了这 6 大节点功能模块的 CR 技术已经远远的超过了 SDR 的能力。在这样的情况下， 用户运行 CR 技术时， 已经不仅仅 是通过我们所常见的键盘和显示进行各种接口的识别和感知， 而是包含了键盘在内的，能够感知多个语音麦克风的一种新 型的先进的处理移动图像的能力， 在这种新的感知状态中， 传 统的用户接口已经成为用户感知子系统的一部分，并在本地 驱动功能中发挥作用。 3.2 CR 的认知循环过程 CR 由一系列的按照效益成本计算提高认知信息服务的 设计规则组成。认知系统结构包含： 认知层次推论； 临时的按 照推论和控制状态的组织和流程控制的循环的认知过程。循 环的认知过程包括观察、 适应、 计划、 判决、 行动、 学习 7 个部 分。在这 7 个部分的相互顺序的作用之下，通过这些过程可 以达到 CR 需求的能力。 这里需要提到的是， 的认知循环 CR 过程由外部激励元所触发开始。外部激励元出发进入认知的 循环， 首先 CR 将持续不断的对环境进行观察和聚集， 让自己 适应环境并存储足够多的环境，继而设计一个个可运行的计 划程序， 并实施判决， 判决生效后对计划进行执行， 执行的过 程又将是一个学习的过程， 又将进入到观察、 适应、 认知的循 环， 这就是单一处理器下的单循环。而在多处理器环境下， 认 知的循环处理的各个状态是平行的均匀进行，各状态是同步 进行处理运行的， 有利于认知的能力的提升。 观察 （Observe） 有利于认知的能力的提升。 （Observe） 观察
在这个阶段中， 多维激励的作用很关键。CR 主要是通过对多 维激励的聚集， 在聚集完成后， 对这些聚集的多维激励进行分 析和判定， 通过对多维激励的分析和判定， 最终能够识别所在 的外部环境。因此进入观察阶段后， CR 就可以利用地理位 置、 温度、 光线强度等感应传感器去分析、 判定通

信的内容。 在 这个阶段， 不断地通过记忆每一件经历过的事件来聚集经 CR 验， 并对经验和实际的环境状况进行比较、 再聚集， 不断的让 CR 达到 “聪明” 更聪明； 值得提出的是这个聚集和变聪明的过 程可能需要记录下每一次的语音、 图像和电子邮件， 也可能需 要一年或以上的事件， 因此同时需要的内存可能上几十 G， 需 要的处理速度也是相当快的。所以快速的计算能力和丰富的 经验资源将是 CR 能否正确的响应和感知环境的核心。 调整（Orient）调整阶段主要是利用绑定以前知道的观测 响应去与目前观测信号进行对比、 分析， 最终判定目前所观测 的重要性，并进行当前刺激或存储记忆匹配响应。调整阶段 的基本过程主要是利用内部数据的仲裁长记忆存储器 （LTM） 和短记忆存储器 （STM） 的数据， STM 的信息传送到 LTM 将 存储， 最后利用存储的信息进行记忆匹配， 已决定是否要刺激 相应。 计划 （Plan） 计划通常是对预编程或预学习的以前的规划 进行响应，达到需求的目的。例如通常会通过产生一个计划 来对一个输入的输入的网络消息进行处理，而一般不会是直 接的响应。在 CR 运行的条件下， 如果严格来说， 在所有的计 划和运行算法中应该植入规范的因果关系理论， 以便其识别。 判决 （Decide） 判决阶段主要是通过对 QOS 矩阵对中断进 行有等级的判决， 从而对预定的计划进行删选， 并最终通过生 效。 行动 （Act） 在判决生效后， 行动阶段则通过利用驱动器进 行处理动作的选择， 继而通过处理指令实现自身 CR 内部状态 的调整、 以及对外部的访问和交互。 学习 （Learn） 感知、 观测、 判断和行动都将由学习所决定， 通过观测阶段对传感信息的感知，最终通过持续不断的和先 验经验比较来触发学习的初始化。因此这也意味着有要启动 学习过程的经验必须是后来的经验， 而不能是先验的经验， 如 果是先验的经验， 则必须通过设置触发条件来启动学习过程。
参考文献： [1] 许晓平,饶志宏等.认知无线电专辑[J].中国电子科技集团第 三十研究所,2007. [2] 毕志明,匡镜明,王华.认知无线电技术的研究及发展[J].电 信科学,2006. [3] 杨小牛译.认知无线电——发展趋势及其研究挑战[J].通信 电子战,2006.
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