认知无线电技术0407分解
认知无线电技术
认知无线电技术什么是认知无线电技术？认知无线电技术，又称为认知无线电系统，是一种通过利用电磁波的传播特性，对无线电频率进行智能管理和利用的技术。
它通过对周围无线电频谱的监测、识别和分析，实现了无线电频谱的高效利用。
与传统的固定频率使用方式不同，认知无线电技术可以动态地调整无线电频率以避免和其他无线电设备的干扰，从而提高了频谱的利用效率。
认知无线电技术的应用可以涵盖通信、雷达、导航和遥感等领域。
认知无线电技术的发展历程认知无线电技术的发展可以追溯到20世纪90年代初期，当时，波束赋形和频率聚焦技术逐渐成熟，很多无线电设备都已经实现了数字化处理。
在这样的背景下，研究人员开始寻求一种新的方式来提高频谱利用率，避免信号干扰现象的发生。
2002年，美国电子电气工程师学会（ IEEE）提出了认知无线电技术的概念。
2003年，美国国防部开始为研究该技术的应用和发展提供资金支持。
此后，越来越多的研究机构和企业开始加入到认知无线电技术的研究和应用之中。
近年来，认知无线电技术在国内外的研究和应用得到了广泛关注和推广。
认知无线电技术的特点1.智能管理认知无线电技术可以自主地对无线电频率进行管理和利用，通过智能的处理能力，动态地调整无线电的频率范围、幅度和波形等，适应不同的环境和需求。
2.高效利用认知无线电技术可以避免固定频率使用方式下的频谱浪费和干扰问题，提高了频谱的利用效率。
通过对周围无线电环境的优化感知和调节，可以实现更多无线电设备的共存，满足满足不同的通信需求。
3.低成本与固定频率使用方式相比，认知无线电技术可以减少硬件设备的需要，降低成本和能耗。
4.安全可靠认知无线电技术可以减少不必要的信号干扰和频谱浪费，提高了无线电设备的安全性和可靠性，避免了频繁的通信中断和信息传输错误。
认知无线电技术的应用认知无线电技术已经应用在多个领域中，下面列举几个具体的应用：1. 通信认知无线电技术可以大大提高无线电频谱的利用效率，支持更多的数据传输和接受，同时减少了传输中的干扰和浪费，提高了通信的速度和可靠性。
浅谈认知无线电技术
汇报人：文小库2023-11-17•认知无线电技术概述•认知无线电技术的原理与技术•认知无线电技术的优势与挑战•认知无线电技术的发展趋势与展望•认知无线电技术的实际应用案例认知无线电技术概述01认知无线电（Cognitive Radio, CR）是一种智能无线电通信技术，能够感知并理解周围的无线电环境，动态地调整其传输参数，如频率、功率等，以提高无线频谱的利用效率。
认知无线电的特点主要包括灵活性、自适应性、智能性和环保性。
它能够根据无线电环境的实时变化来动态调整传输参数，以适应不同的通信需求和保障通信质量。
此外，认知无线电还具有节能环保的优势，能够有效地利用无线频谱资源，缓解频谱资源紧张的问题。
定义和特点VS认知无线电技术的研究始于20世纪90年代，随着无线通信技术的快速发展和频谱资源的日益紧张，认知无线电技术逐渐成为研究的热点。
各国政府和企业纷纷投入大量的人力和物力资源进行认知无线电技术的研究和开发。
目前，认知无线电技术已经取得了显著的进展，各种先进的认知无线电技术和系统不断涌现。
未来，认知无线电技术将继续朝着智能化、自适应性和节能环保等方向发展，为无线通信技术的发展带来更多的创新和突破。
认知无线电技术的历史与发展认知无线电技术可以应用于各种无线通信系统，如移动通信、卫星通信、物联网、智能家居等。
在这些系统中，认知无线电技术可以通过感知周围无线电环境的变化，动态地调整传输参数，提高频谱利用效率，保障通信质量。
例如，在移动通信系统中，认知无线电技术可以感知并避免干扰，提高频谱利用效率，增加网络容量和覆盖范围。
在卫星通信系统中，认知无线电技术可以通过动态地调整传输参数，适应不同卫星的运动轨迹和通信需求，保障通信质量。
认知无线电技术的应用场景认知无线电技术的原理与技术02认知无线电技术通过感知无线电环境，理解信号传播特性，从而获取空闲频谱的机会。
通过构建频谱地图，对频谱使用情况进行记录和分析，为后续的频谱管理和优化提供数据支持。
认知无线电技术的研究与优化
认知无线电技术的研究与优化认知无线电技术是近年来发展最为迅速的无线电技术之一。
其核心思想是通过对无线电频谱的实时监测和分析，实现对无线电频道的自适应管理和智能分配。
因此，它被广泛应用于无线电资源共享和频谱利用效率提高的领域。
本文将从认知无线电技术的原理、应用领域以及研究与优化方向三个方面，为读者详细介绍认知无线电技术。
一、认知无线电技术的原理认知无线电技术的核心是通过实时监测和分析无线电频谱，获取频道的使用状况、空余容量等信息，从而实现对频谱的自适应管理和智能分配。
其优点是可以最大程度地提高频谱的利用效率，避免频谱的浪费和瓶颈发生。
认知无线电技术通常由以下五个主要模块组成：1.感知模块：监测和获取频谱信息。
2.推理模块：处理并分析感知模块采集的频谱信息，识别出当前频率和频道的使用情况，以及可用频道的数量和容量等相关信息。
3.规划模块：根据推理模块的结果，制定出合理的频道分配方案。
4.执行模块：根据规划模块的方案，执行相应的频道分配和调度操作。
5.反馈模块：监测和评估执行模块的操作效果，从而不断优化系统的性能和效率。
二、认知无线电技术的应用领域认知无线电技术可以应用于多个领域，如无线电资源共享、物联网通信、移动通信等。
下面将分别阐述其在这些领域中的应用场景和具体实现方式。
1.无线电资源共享。
传统的无线电频谱管理方式是采用独占或分段的方式，导致频谱利用效率低下和频谱浪费。
而认知无线电技术可以通过对频谱进行智能识别和分配，实现多用户共享同一频谱，从而最大化地提高了频谱利用效率。
例如，无线电电视的频谱资源一般处于一种相对稳定的状态，而认知无线电技术可以将这些空闲的频率分配给无线局域网或蜂窝通信等其他应用，以增强频谱利用效率。
2.物联网通信。
随着物联网智能家居、智能医疗等应用的快速发展，对于频谱的需求也在不断增长。
而传统的物联网无线通信方式存在频谱资源有限、信道干扰严重等问题。
而认知无线电技术则可以通过对频率的实时检测和分析，选择最优的频谱资源和信道，从而实现物联网通信的高效性和可靠性。
通信电子中的认知无线电技术及其应用
通信电子中的认知无线电技术及其应用随着科技的进步和社会的发展，通信电子技术也在不断发展和创新。
在通信电子技术中，认知无线电技术是一种新兴的技术，在无线通信领域中具有广阔的应用前景。
一、认知无线电技术的概念和基础认知无线电技术是指利用软件定义无线电、人工智能、信号处理、数字信号处理等技术，实现对无线电频道进行智能管理和优化的技术。
这种技术可以根据不同的频谱需求，灵活地分配和管理无线电频道资源，提高无线电频谱的利用效率。
认知无线电技术的基础有两个方面：一是利用传感器和信号处理技术对无线电频谱进行感知和分析，得到频段利用率等信息；二是利用软件定义无线电技术实现软硬件分离，通过软件对电路基带处理的特性进行定义，实现对无线电频谱的智能管理。
二、认知无线电技术的应用1. 无线电频谱智能调配作为认知无线电技术的一项基本应用，无线电频谱智能调配可以根据不同的频道需求，动态地分配和管理频道资源，最大程度地提高无线电频谱的利用率。
例如，可以利用认知无线电技术在不影响现有无线电通信的前提下，为新兴无线电通信提供频谱资源，推动新兴无线电通信的发展。
此外，还可以通过认知无线电技术，实现对无线电信号的自适应调配，提高信噪比，优化无线电传输质量。
2. 无线电频谱安全保障认知无线电技术可以通过对无线电频谱的感知和分析，实现对频段的实时监控和管理，及时识别并干扰恶意无线信号，保障无线电频谱的安全性。
此外，认知无线电技术还可以通过对频段和信号环境的特征分析，实现对无线电收发机的远程识别，防止非法设备对无线电频谱的侵占。
3. 智能无线电网认知无线电技术可以实现对无线电频谱使用的智能管理和优化，进而在无线电通信领域中推动智能无线电网的发展。
智能无线电网建立在认知无线电技术的基础上，可以实现无线电通信网络的监控、管理、调控和优化，保证无线电通信的稳定性和可靠性。
三、认知无线电技术面临的挑战和发展方向认知无线电技术的发展还面临一些挑战，如频谱感知技术、测试和验证技术、信号处理技术、智能算法等。
认知无线电体系结构分析
认知无线电体系结构分析认知无线电是一种新生的无线通信技术，它在频谱管理、网络优化等方面有着广泛的应用。
为了更好地实现认知无线电通信，需要建立合理的认知无线电体系结构。
本文将从多个方面进行分析，为读者呈现认知无线电体系结构。
一、认知无线电的定义和特点认知无线电是指一类能够自主建立模型、利用地理信息和环境关键指标，自动或半自动感知和操作无线电频谱的系统的技术。
它具有动态频谱分配和利用的能力，能够有效地提高无线电频谱利用率、提升通信性能，优化用户体验，是无线电通信的一种重要技术。
二、认知无线电的体系结构认知无线电体系结构主要分为网络体系结构、射频体系结构、通信协议体系结构。
1. 网络体系结构认知无线电网络体系结构是指由认知无线电通信设备、认知控制器、认知网关节点和认知管理服务器等组成的网络结构。
其主要功能是通过自主感知、分析和决策无线电环境，实现频谱监测、动态频谱分配和网络管理等任务。
2. 射频体系结构认知无线电射频系统主要包括软件定义的无线电设备、DAA-PCB电路板和射频前端等元件。
这些元件协调工作，使得无线电设备具有高度的智能化完成频谱感知、数据处理、通信控制。
3. 通信协议体系结构认知无线电通信协议体系结构是实现认知无线电通信所必需的协议总称，本质上是在数据链路层之上，对认知无线电设备所提供的通信服务的控制，使用其设备优化频谱利用。
该部分主要涉及到物理层、数据链路层、网络层，需要确保不同节点间的信息交流顺畅、安全可靠。
三、认知无线电体系结构分析认知无线电体系结构是一种比较复杂的分布式结构体系，其设计需要考虑众多因素，一些主要方面如下：1.取决于射频前端设计的电路过程，越复杂有更好的效果，同时需要考虑成本限制。
2. 系统中大量节点间的互相操作请求，数据必须很好地调配以提高信道使用率。
3. 必须要有高精度的感知与反应，以满足对频谱使用状态的无缝控制。
4. 系统需要优化节点的选择算法以实现快速定位，这对连通性和频谱效果有很大的影响。
认知无线电技术分析
成， 他们没 有使 用特 定 频谱 的许 可 。网络 中 ， 当主用
户 的频谱 未被 使用 或在 主用 户通 信不 受影 响 的情况
下 ，次用 户将 被准 许 以机会 接入 的方 式 与主用 户共
值 ．只要 认知 用户 的传 输对 授权用 户 造成 的干扰 不 超过 该 阈值 ，这个 认知 用户 就可 以使用 该频 段进 行 种方 式下 ， 次用 户并 不是 要
度、 中心频 率 、 带 宽 大小 、 链 路传 输 时延等 ， 认知 用户 可 以根 据这 些参 数判 断某频 段 是否可 以使 用 。频谱 决 策 是 根 据 认 知 用 户 的业 务 需 求 和 频 谱 分 析 的结
估． 这些 特 征参 数包 括时变 特性 、 授权 用 户的活 跃程
Ｍｉ ｔ ｏ ｌ ａ 提 出 ．它能 使次 用户 在 主用 户未 使用 频 谱 时
利 用该 空 白频谱 通 信而互 不 干扰 。 在这 种方 式下 ， 次
用 户 网络 的基本 管理 策 略是 是否接 入 主用 户 的频 谱
以及何 时 以何种 方式 接入 。 Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｌ ａ ｙ方 式与 Ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ａ ｙ 方 式 的不 同之处 在 于它 主要用 于 主用 户和次 用 户共
直工 作 于最佳 的可 用频 段上 。由于无 线信道 环境 的 时变 性 ， 当前 信道 环境 可能 变差 ， 授 权 用户可 能重 新 占用 当前 频段 ． 此时 ， 认 知用 户就需 要 跳转 到其他 信 道上 继续 自己的通 信 。将认 知用 户离 开 当前 频段 跳 转 到其他 频段 上继 续运 行 的过程称 为 频谱移 动 。 频谱 移 动会造 成通 信链 接 的暂时 中断 ，在切 换 到新 链路 重新 建立 通信 时会 产生一 定 程度 的连接 时 延。 带来 链 路 层延 迟 ， 进 而 影 响到 更 高层 的性 能 ， 最 终导 致 系统性 能受 到影 响 。 同时 ， 接人 的新信 道 与原 来 的信 道 相 比 ， 其参 数会 发生 变化 ， 这就要 求 不 同层
认知无线电
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通常一个博弈过程包括五个方面： 通常一个博弈过程包括五个方面： 1、参与者： 博弈中进行独立决策的参与者也称为局中人 2、策略： 在每一局博弈中，参与者都会选择一种实际可行的方案 3、信息： 它是参与者选择策略的前提 4、次序： 由于每个博弈方的决策有先后之分，所做的决策也不止一 次，这样就产生了次序。 5、得失： 博弈的结果称为得失。
2、认知无线电原理
无线环境
发射信号
频谱激励 频 谱 感 知
频 谱 判 决
信道容量 频谱分析
频谱信息
认知无线电原理图
3、认知无线电的特点 、
1.对环境的感知能力 2.对环境变化的学习能力 3.对环境变化的自适应性 4.通信质量的高可靠性 5.对频谱资源的充分利用 6.系统功能模块的可重构性
频谱分配
LB = {ln.m • b n.m }N ×M
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• 干扰矩阵集合
C = {cn ,k ,m c
n,k ,m
∈ {0,1}}N × N ×M
• 无干扰的频谱分配矩阵
A = {an ,m an ,m ∈ {0,1}}N ×M
A必须满足无干扰条件：
基于着色理论的 频谱分配方法具 有时间开销小的 优点，但精度不 够高。
一、概念
频谱分配就是根据需要接入系统用户数目及其服务 要求将频谱分配给一个或多个指定用户。 频谱分配的主要目的就是通过一个自适应策略有效 的选择和利用空闲频谱。利用动态频谱分配策略，可有 效的提高无线通信的灵活性，使授权用户和非授权用户 之间避免冲突，公平地享有频谱资源，满足用户因不同 业务而不断变化的需求。
认知无线电的基础知识
1、认知无线电(Cognitive Radio,CR)概念 认知无线电(Cognitive Radio,CR)概念
认知无线电技术
认知无线电技术认知无线电（Cognitive Radio，CR）的概念起源于1999年Joseph Mitolo 博士的奠基性工作。
它可以通过学习、理解等方式，自适应的调整内部的通信机理、实时改变特定的无线操作参数（如功率、载波调制和编码等）等，来适应外部无线环境，自主寻找和使用空闲频谱。
它能帮助用户选择最好的、最适合的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。
一、认知无线电的定义1、JosephMitola对认知无线电的定义1999年，JosephMitola在他的学术论文中首先提出了认知无线电的概念，并描述了认知无线电如何通过“无线电知识描述语言（RKRL，RadioKnowledgeRepresentationLanguage）”来提高个人无线业务的灵活性。
随后，JosephMitola在他的博士论文中详细探讨了这一理论。
他认为：认知无线电应该充分利用无线个人数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面的智能计算能力来检测用户通信需求，并根据这些需求提供最合适的无线电资源和无线业务。
Mitola的认知无线电的定义是对软件无线电的扩展。
认知无线电以软件无线电为平台，并使软件无线电智能化。
2、FCC的认知无线电定义JosephMitola定义的认知无线电强调“学习”的能力，认知无线电系统需要考虑通信环境中的每一个可能参数，然后做出决定。
相比于JosephMitola的定义，FCC针对频谱有效分配问题对认知无线电做出的定义更能为业界所接受。
在2003年12月的一则通告中，FCC对认知无线电作出如下定义：认知无线电是能够与所处的通信环境进行交互并根据交互结果改变自身传输参数的无线电。
FCC对认知无线电的这个定义主要是基于频谱资源分配和管理问题提出的。
目前无线频谱资源的规划和使用都是由政府制定的，无线通信设备对频谱的使用需要经过政府的许可。
而固定的频谱分配政策导致了频谱不能有效利用的问题。
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目录
• • • • • • 背景 基本概念 关键技术 应用前景 研究现状 未来发展方向
关键技术
• 频谱感知 • 动态频谱管理 • 功率控制等
（1）频谱感知技术
• 频谱感知技术是CR应用的基础和前提。 • 功能：识别频谱空洞、检测授权用户出现。 • 分类：单节点感知和协作感知。 单节点感知：单个CR节点根据本地的无线射频环境进行 频谱特性标识； 协作感知：通过数据融合, 基于多个节点的感知结果将进 行综合判决。
目前全球1GHz以下已经分配殆尽
无线蜂窝移动通信系统：825-835MHz和870-960MHz 频段； 其余主要分配给对讲机业务和电视广播业务。
★ 无线电通信频谱资源是一种宝贵的自然资源，由于
无线通信业务需求的快速增长，可分配的频谱资源变 得越来越稀缺。
背景
• 现代频谱需求
移动通信宽带化
1985 1995 2000 2005 2010 2015
背景
• 由于大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用，且相当数 量的授权频谱资源的利用率却非常低。 • 如何提高频谱的多维度利用率，即在不同地区的不同时间段 里有效地利用不同的空闲频谱，成为无线通信领域非常关注 的技术问题。
—— 频谱智能高效利用成为影响 未来无线产业发展的关键性课题
背景
• 如何发展频谱智能高效利用技术来解决未来无线通 信频谱需求的瓶颈？
1）单节点感知
• 单节点感知技术分为3种：
单节点感知
匹配滤波
能量检测
周期特性检测
图 4 单节点感知技术分类
1）单节点感知
• 这些方法各有优缺点, 三者之间的比较如下表：
表1 单节点频谱感知技术的比较
检测算法
匹配滤波
适用范围
CR节点知道授权用户的信号信息
►
信号处理技术极大提高了无线系统在接入使用时的频
谱利用率；但仍未解决频谱资源未被使用时造成空洞浪费的 问题
► 是否可以考虑在授权频段闲置时允许其他无线业务用
户接入？如果可以，需要满足什么条件？
背景
• 1999年Joseph Mitola 提出了认知无线电CR（Cognitive
Radio）技术
• 核心：频谱准入政策允许授权频段在闲置时被其他业务用 户接入——动态频谱分配政策
目录
• • • • • • 背景 基本原理 关键技术 应用前景 研究现状 未来发展方向
什么是CR？
• 认知无线电技术定义（ITU-R ）
“Cognitive radio (CR) is a radio system employing technology that allows the system to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state; to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives; and to learn from the results obtained.”
允许系统获取周围的工作和地理环境信息、已建立的通信策略 及其内部状态；依据获取的信息，动态的和自主的调整工作参 数和协议来实现预定的目标；并从获取的结果来自我学习。
CR的基本特征：
• 从概念上，CR应该具备以下2个主要特征:
1）认知能力
2）重构能力
1）认知能力
• 认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知 信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源 (也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。 这一过程用认知环来表示如下：
2) 重构能力
• 重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程, 从而允 许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。 • 可以重构的参数包括: 工作频率、调制方式、 发射功率和 通信协议等。 • 核心思想：在不对频谱授权用户(PU)产生有害干扰的前提 下, 利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。
重构能力
• 一旦该频段被PU使用, CR有2种应对方式: 一是切换到其它空闲频段通信; 二是继续使用该频段, 但改变发射统率或者调制方案 避免对PU的有害干扰。
与软件无线电的关系
• 为了便于理解CR的基本原理, 有必要将CR与软件无线电 (SDR)进行区分 。 • 一个无线电设备可以称为SDR的基本前提是：部分或者全 部基带或RF信号处理通过使用数字信号处理软件完成; 这 些软件可以在出厂后修改。 • SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式； • CR是指无线系统能够感知操作环境的变化, 并据此调整系 统工作参数。CR是更高层的概念, 不仅包括信号处理, 还 包括根据相应的任务、政策、 规则和目标进行推理和规 划的高层功能。
认知无线电技术
汪小叶 2011.3.28
目录
• • • • • • 背景 基本原理 关键技术 应用前景 研究现状 未来发展方向
背景
• 传统上，由于固定的频谱分配政策，大多数有用频谱已分 配给授权用户。下面是美国国家电信与信息管理局（NTIA） 的频谱分配图：
图1 NTIA频谱分配图
背景
• 1GHz以下频率划分现状
时间
4G
移 动 性 增 强
1G
2G
3G 3G+
E3G
BWA
WLAN 物联网 感知网 RFID …… 数据速率和带宽需求不断增加
背景
• 在频谱资源紧张的情况下，美国FCC对频谱资源使用情况 进行了调查，发现一些授权频段在时间和空间上存在不同 程度的闲置。频谱的利用情况极不平衡。
图2 频谱使用情况
无线环境
发射信号
射
频 信
息
频谱判决
信道容量
频谱空洞信息
频谱感知
洞Hale Waihona Puke 空 信 息射频信息谱 频
频谱分析
图 3 认知环
认知能力
• 包括3个主要的步骤：
① 频谱感知：是监测可用频段，检测频谱空洞；
② 频谱分析：估计频谱感知获取的频谱空洞的特性； ③ 频谱判决：根据频谱空洞的特性和用户需求选择合 适的频段传输数据。