认知无线电原理技术与发展趋势

摘要：认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。当前，认知无线电技术从理论到实践都面临很多困难。文章简述了认知无线电的基本原理，对认知无线电涉及的射频、频谱感知和数据传输等物理层核心关键技术进行了总结分析，并结合当前的发展状况对该技术未来的发展趋势进行了预测。

关键词：认知无线电；频谱感知；数据传输；网络体系与协议

Abstract: Cognitive Radio (CR) is an intelligent radio technology which has the capability to search and utilize underutilized spectrum resources. CR has been recognized as an effective solution to the dilemma introduced by the rapid growth of wireless communications and the scarcity of spectrum resources. However, from theory to practical applications, there are many challenges faced by CR currently. In this paper, the key physical layer techniques of CR, such as radio frequency front-end, spectrum sensing and data transmission, are discussed. According to the status of the research, the development tendency of this technology is also predicted.

Key words: cognitive radio; spectrum sensing; data transmission; network architecture and protocol 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。

这一思想在2003年美国联邦通信委员会(FCC)的《关于修改频谱分配规则的征求意见通知》中得到了充分体现，该通知明确提出采用CR技术作为提高频谱利用率的技术手段。此后，CR技术受到了产业界和学术界的广泛关注，成为了无线通信研究和市场发展的新热点。然而，CR技术从理论到大规模实际应用，还面临很多挑战。这些挑战包括了技术、政策和市场等诸多方面。本文从技术的角度，总结分析CR的基本原理、关键技术，并对将来技术发展趋势进行预测。

1 认知无线电基本原理

1.1 认知无线电的概念与特征

自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义[1-3]，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”[4]。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过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性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”

总结上述定义，CR应该具备以下2个主要特征：

(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。这一任务通常采用图1所示的认知环进行表示，包括3个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性；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。

(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。

重构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)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。一旦该频段被LU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LU的有害干扰。

1.2 认知无线电与软件无线电之间的关系

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。根据电子与电气工程师协会(IEEE)的定义，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[5-11]。

因此，SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式；而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。从这个意义上讲，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。

2 认知无线电物理层关键技术

通用的CR收发机结构如图2所示，结合前文关于CR基本原理的讨论，可以发现，CR物理层的关键技术包括：宽带射频前端技术、频谱感知技术和数据传输技术。

2.1 宽带射频前端技术

为了提供宽带频谱感知能力，CR的射频前端必需能够调谐到大频谱范围内的任意频带。通用的宽带射频前端结构如图3所示，接收的信号通过放大、混频和A/D转换等步骤后送入基带处理，进行频谱感知或数据检测。其中，射频滤波器通过通带滤波选择所需要的频段的接收信号；低噪放大器(LNA)在放大所需信号的同时最小化噪声；锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)和混频器联合控制，将所需要的接收信号转换到基带或者中频处理；信道选择滤波器用于选择所需的信道并抑制邻道干扰；自动增益控制(AGC)维持很宽的动态范围内的输入信号经放大器的输出功率恒定。