从软件无线电到认知无线电的无线通信发展现状

摘要：频谱资源在无线通信中已经得到有效利用，其为无线通信带来进步的同时制约着无线通信的新发展。近几年，认知无线电的不断进步不断拓宽了软件无线电的应用和功能，已经成为频谱资源匮乏的有效解决办法。本文主要针对认知无线电在无线通信中的重要作用展开讨论，通过对认知无线电技术进行概述，分析当前无线电技术发展现状，同时提出当前认知无线电发展面临的关键技术挑战，旨为我国无线通信的发展提供参考意见。

关键词：软件无线电认知无线电无线通信

中图分类号：tn925 文献标识码：a 文章编号：1007-9416（2015）09-0000-00

随着社会的发展，无线电频谱已经成为无线通信领域极为重要的资源。伴随社会无线通信业务的极速增长，当前无线电频谱资源已经接近匮乏。频谱资源的高效利用作为无线通信技术当前亟需解决的问题，同时其也成为制约无线通信发展的阻碍。基于无线通信技术的需求和科技的进步，认知无线电技术由此产生，其能够对周遭电磁环境进行感知，同时通过无线电描述语言与通信网络进行交流。认知无线电通过参数的调整，将环境与无线电参数进行匹配，以确保通信系统的可靠性及频谱资源的高效利用。

1 认知无线电的概述

1.1概念

mitola认为认知无线电是为保障个人无线数字助理及网络侦测用户需求且为这些需求提供适合的无线电资源，认知无线电是软件无线电的一种，同时综合应用软件、应用界面及认知等性能[1]。

fcc将认知无线电定义为通过运行环境的改变来控制发射机参数的一种无线电[2]。

john notor认为软件无线电不是实现认知无线电的必须条件，同时认知无线电不是软件无线电的发展，两者间属于重叠关系[3]。

1.2特点

（1）认知能力。认知无线电能够由工作环境感知到周遭信息，由此来标识频谱资源的使用状况，由此来重新选择频谱资源的适应工作参数。根据瑞典皇家学院使用的认知循环得知，认知无线电的任务主要包含三个方面：频谱感知、频谱分析及频谱判定。其中频谱感知主要用来检测可使用频段及频谱空穴现象；频谱分析主要用来分析估计频谱获取的频谱空穴特点；频谱判定主要根据频谱空穴的特征及用户的需要进行传输数据的选择。

（2）重构能力。认知无线电能够通过当前动态编程的改变从而使用不同无线传输技术来接收输出数据，基于对频谱授权用户进行干扰的基础，使用授权系统中的闲置频谱为用户提供极为可靠的服务，以上便是认知无线电重构内容的工作核心。当频谱被指定用户使用的时候，认知无线电能够通过两种应对方式进行解决：一是切换到其他空闲频段进行通信；二是继续使用此频段，但要通过改变该频段的发射速度及调制方案来避免对用户造成通信干扰。

（3）两种无线电之间的关系。软件无线电系统内部的a/d及d/a完全变更至中频，通过对系统进行采样，由中频进行数字化处理；认知无线电技术基于软件无线电采用通信协议技术，同时增加人工智能的支持，对其自身环境感知极为敏感，并能根据环境合理调整通信功率、频率及其他参数[4]。软件无线电系统具有较高的灵活性，但较于认知无线电缺乏一定智能。认知无线电能够自适应频谱环境，而软件无线电能够自适应网络环境。

2 认知无线电研究现状

2.1 darpa

美国国防研究计划局已经对频谱资源的有效利用展开研究，关于xg计划的研究目标有以下两点：第一，研究灵活的频谱分配技术，检测频谱环境，开发频谱使用机会；第二，在软件支持的基础上研究灵活的政策机制，主要体现在定义抽象行为、操作模式对应策略；同时策略约束通过下载软件完成。

2.2 e2r

e2r是欧洲委员会的综合项目，该系统可以为多种空中接口、协议及应用提供相关的平台和所需环境，同时通过认知算法的升级和重新配置实现资源的高效利用。重新配置能够灵活的改变软件设置，以此来提高网络及设备性能。e2r系统需要实现系统功能来完成，主要包括：服务协议、安全、干扰、下载、设备重新设置、服务适应与供应、系统检测、频谱转移及动态资源管理等。当前e2r项目进程处于第二阶段进行中，其在2006年开始启动至今。

除此之外，为了保障无线网络具备更优的认知无线电技术，提高频谱的利用效率，ieee 同时制定出两种不同的网络协议，即802.11h与802.22。其中ieee802.11h能够有效为无线局域网开放5ghz的频谱，降低无线网络的频谱干扰，实现频谱资源的共享。ieee802.22通过运用认知无线电技术将电视广播的vhf频带频率作为宽带访问线路进行利用，由此来支持未经许可的无线设备占用未经使用的tv频带。 3 认知无线电发展前景与技术

3.1终极无线电

国内有研究学者研究出盲源分离的无线通信技术，其能够脱离感知频谱空穴，直接在随意信道上进行通信，其能够有效屏蔽信道中的各种信息干扰，准确分辨出所需信息，该种无线电被称为终极无线电。终极无线电主要通过盲源分离来实现频谱资源的高效利用，但盲源分离的基础是信号远离噪声的理想情况，实际生活中无法实现，由此终极无线电的研究仍在继续，面临诸多挑战。

3.2关键技术

（1）频谱检测。频谱检测技术主要包括单点频谱检测，其主要通过检测单个无线电节点来确定无线环境的频率占用状况；多点协同频谱检测：将多个节点的频谱检测结果统一，提高检测正确性。

（2）频谱资源分配。解决频谱资源分配紧张的方法有两条，第一，通过提高频谱资源的利用率和充分利用授权用户的频谱资源；第二，提高通信系统的运行效率，将已获得的频谱资源进行优化分配，提高利用率。正交频分复用技术属于当前有效实现频谱资源控制的主要传输方式，其能够通过频率的合理组合来实现频谱资源的高效利用，合理控制频谱、时间及功率等资源的利用。

（3）动态频谱管理。动态频谱管理同时被称作动态频谱分配，其主要通过发射端来执行。频谱管理主要通过自适应策略来高效利用通信频谱，同时能够较大程度提高无线通信的灵活性和信道使用能量，从而实现主用户和次用户间避免冲突和公平共存频谱的目的。动态频谱管理可以通过对频谱的辨认来了解频谱可用时间从而实现频谱的合理分配，频谱分配主要根据频谱节点数将频谱分配给一个或多个节点。动态频谱管理应当对节点的接受能力进行评估，同时对源节点到目标节点进行合理调整。

（4）位置感知。地理环境的差异会对无线电信号产生影响，例如，室内与室外、城市与农村、山区与平原等相比较，后者的无线电信号较前者更强一些。认知无线电技术中的定位系统和地理信息系统的结合，能够有效帮助其识别自身位置，由此根据所处环境选取适当发送频率及调制方式等。

（5）链路保持。通常授权用户进行再次通信时，认知无线电技术需要在极短的时间内将正在进行得频率空出，同时还需保障通信的连续性，以上便是认知无线电技术中的链路保持技术。诸多研究学者认为，编码技术可以用来实现链路保持技术，主要方式通过增加链路冗余达到数据冗余。但冗余数与链路可靠性并不成正比[7]。

（6）物理安全。认知无线电系统使机会方式与用户频段相结合，容易干扰到主用户，因此频谱感知必须具备极强的弱信号检测功能，主要用以检测主用户的信号，方便其切换频道。与此同时，认知无线电系统较易受到干扰与攻击，即为“模仿主用户攻击”的问题。跳频通信系统具备极强的抗干扰能力，能够有效解决无线通信的干扰问题，同时能够容许系统出现