认知无线电的关键技术和应用研究

2007年第7期，第40卷 通 信 技 术 Vol.40，No.07,2007 总第187期Communications Technology No.187,Totally

认知无线电的关键技术和应用研究

刘 元①，彭 端②，陈 楚①

（①广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006；②广东工业大学实验教学部，广东 广州510006）

【摘 要】认知无线电是一种新的智能无线电技术，它通过动态的接入频谱为用户提供高容量的服务，能极大的改善现有的低效的频谱利用率。文章重点分析了认知无线电中频谱检测、频谱管理、功率控制等关键技术，以及认知无线电在超宽带、Mesh网、无线区域网的应用现状，最后探讨了认知无线电发展需要关注的难点问题。

【关键词】认知无线电；频谱检测；频谱管理；功率控制

【中图分类号】TN929【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2007)07-0050-03 Investigation on the Key Techniques and Applications of Cognitive Radio

LIU Yuan①, PENG Duan②，CHEN Chu①

(① College of Information Engineering, Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006, China;

② Department of Experiment Education, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China）

【Abstract】Cognitive radio is a new intelligent radio technique, it can provide large capacity services for users by dynamic spectrum access, improve the ineffective utilization of spectrum in existence. This paper starts with the concept of cognitive radio, focuses on the key techniques, such as spectrum detection, spectrum management and power control, as well as the applications of cognitive radio in ultra-wide-band, Mesh network and wireless area network. Finally it discusses the possible problems of cognitive radio which need to be paid attention to in its future development.

【Key words】cognitive radio; spectrum detection; spectrum management; power control

0 引言

无线通信频谱是一种有限的宝贵资源，目前主要是由国家统一管理、统一授权使用。每一个无线通信系统独立地使用一个频段，以使各个不同的系统互不干扰。这种授权的、静态（固定）的频谱分配方式可以有效地避免系统间的干扰。但是，随着无线通信业务和需求的快速增长，频谱资源的缺乏日益严重，美国联邦通信委员会（FCC）研究报告指出频谱的使用情况极不平衡：一些频带大部分时间没有用户使用，另一些频带只是偶尔使用，而剩余频带的使用则竞争很激烈[1]。因此，在各地区、各时间段里充分利用空闲的频带，提高频带的利用率，成为人们非常关注的问题。

1999年，J.Mitola博士提出了认知无线电（CR）的概念。认知无线电是一种智能的无线通信技术，它能够连续不断地感知周围的通信环境，通过对环境信息的分析、理解和判断，然后通过无线电知识描述语言（RKRL）自适应地调整其内部的通信参数（如发射功率、工作频率、编码方式等）以适应环境的变化。其核心思想是通过检测哪些频谱处于空闲状态，在不影响授权用户的前提下智能地选择和利用这些空闲频谱，从而提高频谱的利用率。

1 CR的关键技术

1.1 频谱检测

频谱空洞是指分配给授权用户但在一定的时间和具体的位置该授权用户没有使用的频谱。如果将待检测的频谱分成三种情况：黑色区域，常被高能量的局部干扰所占用；灰色区域，有部分时间被低能量干扰所占用；白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰占用。一般情况下，白色区域和有限度的灰色区域可被等待的用户所使用。频谱检测的任务就是寻找合适的频谱空洞并反馈至发送端进行频谱管理和功率控制。

在CR系统中，频谱检测不仅对频谱空洞的检测起决定作用，同时也对频谱状态进行监测。典型的频谱检测技术有两种：一种是基于发射机的能量检测，另一种是基于接收机

收稿日期：2007-04-26。

基金项目：广州市应用基础研究项目（2006JI-C0331）。

作者简介：刘 元（1984–），男，硕士研究生，研究方向为宽带移动通信系统；彭 端（1963–），男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事宽带移动通信系统与网络研究工作；陈 楚，男，硕士研究生，主要研究方向为宽带移动通信系统技术。

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的干扰温度检测。

1.1.1 能量检测

能量检测是检测频带是否被授权用户所占用[2]，在文献[3]中提出，如果接收机不能够接收到足够的主用户信息，比如说接收机只收到随机高斯噪声的功率，那么能量检测是最佳的检测方案。但是能量检测很容易受到不确定噪声的影响，为解决这一问题，A.Sahai等人利用主发射机的导频音信号以提高能量检测的精确度[3]。能量检测的另一缺点是不能检测到信号的类型而只能够检测到信号是否存在。由于容易实现，所以现行对主用户的检测一般都采用能量检测 [3,4]。

1.1.2干扰温度检测

目前的无线电环境是以发送端为中心的，要求发送的信号功率在设计中大于某一个噪声底限。由于无线电环境经常出现不可预测的干扰使系统的噪声增大，引起传输性能下降，为了避免这种情况，FCC提出了一种新的干扰度量标准——干扰温度[5]，无线电环境从传统的以发送端为中心转变为以发送端和接收端的自适应实时交互为中心。干扰温度表征了在某频带和某特定的地理位置无线电环境，干扰温度检测必须解决以下问题：1）预先准确地测得干扰源带来的干扰；2）准确地设计一个合适的干扰门限，只要引入的干扰不超过这一门限，系统就可以正常的工作。可以用多窗方法估计干扰温度的功率谱，多窗估计同奇异值分解法相结合能够有效地测量无线环境中的噪声功率谱。

另外，早期的检测方法有周期平稳过程特征检测，但并不能满足可靠的检测概率要求[3]。A.Fehske等人将基于神经网络的模式识别技术应用于循环频谱分析，能够提高检测的效率和可靠性[6]。B.Wild等人提出了一种本振泄露的检测方法，通过检测本振泄露功率来判断主接收机所使用的信道，可以准确地定位主用户，同时次用户也可以利用这些信息确定工作频段[7]。

D.Cabric等人采用物理层和MAC层的跨层设计联合检测方法，通过加强多用户之间的合作来提高检测能力[8]。

1.2 频谱管理

频谱管理又称频谱分配，CR系统采用动态频谱分配（DSA）方案。目前CR技术的DSA研究主要是基于频谱池（Spectrum Pooling）这一策略，其基本思想是将一部分用于不同业务的频谱合成一个公共的频带，并将整个频带划分为若干个子信道。基于频谱池策略的DSA主要目的是信道利用率的最大化，同时考虑用户接入的公平性。

F.Caper等人提出了一种智能的动态DSA方式，该方式的思路是：CR在各个频段连续地检测是否有授权用户，如果检测到授权用户在使用频段，非授权用户暂时不得使用该频段；反之，非授权用户可以使用该频段。如果非授权用户在工作中发现授权用户开始使用这个频段，则立刻让出该频段，切换到其他合适的频段继续工作。这种方法使授权用户拥有最高的频谱使用优先权，优先级较低的用户可以和授权用户分时段共享频谱，以达到频谱资源的充分利用[9]。

J. Mitola提出了无线礼仪协议[10]，规定了用户之间频谱使用的协商机制，包括频谱租用协议、补偿协议、优先级协议。在文献[11]中提出了一种基于标签的机制，可以识别用户的优先级，能够很好地改善系统的性能。L.Cao提出了一种本地讨价还价（LB）方案，可以提高频谱的利用率和公平性，同时降低了系统的复杂性[12]。在文献[13]中提出了一种基于规则的频谱分配方案，其思路是用户的频谱分配不是根据与其他用户之间的合作，而是根据既定的规则。这个方案会使系统的性能有轻微的下降，但是通信中的过载现象明显减少。Q.Zhao提出了发收机握手（Transmitter Receiver Handshake）方法用于频谱分配，可以获得很好的性能[14]。

1.3 功率控制

在CR系统中采用分布式功率控制以扩大通信系统的工作范围，而每个用户的发射功率是造成其他用户干扰的主要原因，因此功率控制是CR系统的关键技术之一。在多用户传输的CR系统中，发送功率控制受到给定的干扰温度和可用频谱空洞数量的限制[15]，目前解决功率控制这一难题的主要技术是对策论和信息论。

多用户CR系统的功率控制可以看成一个对策论的问题，对策论可以划分为合作对策和非合作对策。如果不考虑非合作对策，看成完全的合作对策，这样功率控制则简化成一个最优控制问题[16]。但这种完全的合作在多用户系统中是不可能的，因为每个用户都试图最大化自己的功率，所以功率控制被归结为一个非合作对策。目前主流技术是用Markov对策进行分析，Markov对策是将多步对策看成一个随机过程，多用户CR的功率控制问题就可看成是Markov对策进行分析解决。

实现功率控制的另一方法是基于信息论的迭代注水法，其基本思想是将系统的信道划分为若干个独立平行的子信道，将信道矩阵进行奇异分解，各个子信道的信道增益由相应的奇异值决定，发送端在增益较大的子信道上分配较多的功率，而在增益较小的子信道上分配较少的功率甚至不分配功率，从而达到传输容量的最大化。

2 CR技术的应用

2.1 在UWB中的应用

超宽带（UWB）技术被认为是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术，2002年FCC定义相对带宽大于25%或中心频率大于500 MHZ的带宽称为超宽带。目前主要的UWB设计方案包括直接序列UWB方案和多频带OFDM-UWB方案，H.Yamaguchi等人论证了多频带OFDM-UWB方案更适合CR技术的应用[17]。

UWB具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等优点。但由于UWB的超宽带特性，它必然会对共享频段内的其他窄带系统产生干扰，并且自身也将受到其他系统在某频段的强干扰，如果把CR技术引入到UWB系统的研究和设计中来，能改善频谱共享，有效抑制窄带干扰，与其他系统更好地共存，同时还可潜在地提高频谱的利用

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