认知无线电应用思考

关于认知无线电的应用思考

认知无线电核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。

工程化得话，就是基于与操作环境的交互能动态改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能。CR是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户(主用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。

过程：

通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进

行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。

认知无线电中，次级用户动态的搜索频谱空穴进行通信，这种技术称为动态频谱接入。在主用户占用某个授权频段时，次级用户必须从该频段退出，去搜索其它空闲频段完成自己的通信。

1.平台结构

认知无线电的物理平台的实现是以软件无线电平台为基础的，其物理平台结构与软件无线电平台结构基本相同，两者之间的比较如图3[9]所示，它主要在软件无线电平台的基础上增加了感知，学习等功能，以实现其独特的认知能力。

其中，无论对于软件无线电平台还是认知无线电平台，软件部分的硬件支撑都是通用硬件平台。也就是说，从图1可以看出，和软件无线电类似，认知无线电物理平台也主要由射频前端、数模模数转换器以及通用硬件平台3个部分组成。

图1认知无线电与软件无线电物理平台结构的比较

其中，为软件提供硬件支撑的认知无线电通用硬件平台的组成和结构与软件无线电系统的硬件平台基本类似，但除了常见通信系统所需的数字信号处理外，认知无线电还需要完成频谱感知、频谱分析、频谱判决等认知无线电特有的功能。

而认知无线电平台中使用的A/D和D/A模块的作用和性能指标也与软件无线电系统基本相同。A/D和D/A模块一般集成在通用硬件平台之中。

另外，认知无线电平台射频前端除了完成软件无线电系统所需的不同频段的宽带射频信号和中频信号之间的转换外，还需要协助甚至单独完成宽带频谱感知等认知无线电特有的功能。但就结构而言，认知无线电平台的射频模块与软件无线电平台的射频前端基本类似。关于认知无线电的射频前端技术将在下面重点介绍。

相对软件无线电系统而言，认知无线电系统射频模块的特点就是，它需要协助系统甚至单独完成宽带频谱感知功能。这个功能要求射频模块的射频硬件具有很宽的工作频带范围，从而实现对频谱信息实时的、大范围的测量。和软件无线电射频模块类似，认知无线电射频模块的基本体系结构如图4所示。

图2认知无线电的宽带射频前端结构

从图2中可以看出，和软件无线电的射频模块类似，认知无线电的射频前端具有混频、放大和自动增益控制等功能，实现大频谱范围内的射频信号与中频信号之间的转换，从而解决A/D的性能不满足

对射频信号直接采样的问题。其中，可编程带通滤波器、低噪声放大器、可编程本地振荡器以及混频器和自动增益控制等需要具有与软件无线电平台类似的性能参数。

为了协助完成认知无线电系统的认知功能，对周围无线电环境中的授权用户进行检测，认知无线电系统的射频模块对某些部件的要求要高于软件无线电系统，它要求射频前端具有在大动态范围内检测一个或多个弱信号的能力，即接收机需要具有足够的工作带宽和灵敏度，使其能准确地检测不同频带不同功率电平的主信号。同时，考虑到频谱感知一般由能量检测、特征检测等方法完成，如果射频模块需要单独完成频谱感知，它还需要具有信号处理功能。

2.研究现状

目前，国内外认知无线电技术的研究大都集中在物理层、MAC 层、网络层的功能方面，如频谱感知、功率控制、频谱共享、频谱移动性管理、认知无线电的安全技术以及认知无线电的跨层设计等技术。

针对认知无线电的发展，世界各国通信专家都密切关注，国内外的大学和科研机构也相续开展了认知无线电技术的研究。其中主要的研究机构有美国国防高级研究计划署（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、维吉尼亚无线通信

技术中心、英国移动电信技术虚拟中心多模终端研究小组、布里斯托尔大学通信系统研究中心和欧洲通信协会等。此外，美国加州大学伯克利分校的无线研究中心、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院等也有关于认知无线电方面的研究。

近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，并开展了相关的研究，这些研究机构主要是清华大学、电子科技大学、西安交通大

学及香港科技大学等高校。鉴于目前的认知无线电的研究状况，国家“863”计划基金也在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。

3.认知无线电的标准

认知无线电技术被视为解决当前频谱资源利用率低的有效方案。各标准化组织和行业联盟纷纷展开对认知无线电技术的研究，并着手制定认知无线电的标准和协议，以其推动认知无线电技术的发展和应用。涉及认知无线电标准化的机构主要有美国电气电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛（SDRForum）和美国国防部高级研究计划署（DARPA）等。

IEEE涉及认知无线电的标准最受关注的有两个：IEEE802.22和IEEESCC41（或者称为P1900）。其中，IEEE802.22是采用认知无线电技术为基础的空中接口标准，IEEESCC41的标准化工作主要涉及动态频谱接入的相关技术。另外，我们认为，共存问题、动态频谱选择和功率控制、动态频谱接入等技术都属于认知无线电的范畴。因此，除上述两个标准之外，IEEE还有其他几个标准也涉及认知无线电，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已经完成的标准化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）

IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）

IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）

IEEE802.11h-2003。

应用

10.1在WRAN中的应用