认知无线电
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。
认知无线电
认知无线电认知无线电(Cognitive Radio)这个术语首先是Joseph Mitola在软件无线电概念的基础上提出的，其核心思想是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。
目前，认知无线电技术炙手可热，应用前景一片大好。
有报道称具有认知功能的无线局域网产品将在近一两年内问世，但是要真正实现CR技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术问题。
当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。
很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。
例如：德国Karlsruhe大学的F. K. Jondral教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。
在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。
IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。
目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的工作，该工作组正在制定利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。
结合上述认知无线电技术的现状，预计认知无线电未来会沿着以下几个方面发展：1、基本理论和相关应用的研究，为大规模应用奠定坚实的基础。
比较重要的包括：认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术，例如：频谱资源的管理、跨层联合优化等等。
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。
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。
认知无线电原理及应用
认知无线电原理及应用无线电通信是现代社会中不可或缺的一部分，它在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
然而，随着无线电频谱资源的日益紧张，如何更有效地利用这些资源成为了一个亟待解决的问题。
认知无线电技术应运而生，它通过对无线电频谱的认知和智能化管理，实现了频谱资源的高效利用。
认知无线电的原理是基于对无线电频谱的感知和分析。
它通过感知周围的无线电环境，包括频谱利用情况、信号强度等信息，来判断当前的频谱资源是否被占用。
如果频谱资源没有被占用，认知无线电可以利用这些空闲的频谱资源进行通信。
如果频谱资源已经被占用，认知无线电可以通过与其他设备的协调和谐共享频谱资源，以避免干扰和冲突。
认知无线电技术的应用非常广泛。
首先，它可以提高无线电频谱的利用效率。
传统的无线电通信系统中，频谱资源被静态地分配给各个用户，导致频谱资源的浪费。
而认知无线电可以根据实际需求动态地分配频谱资源，使得频谱资源得到最大程度的利用。
其次，认知无线电可以提高无线电通信的可靠性。
通过对无线电环境的感知和分析，认知无线电可以自动调整通信参数，以适应不同的环境条件，从而提高通信的质量和可靠性。
此外，认知无线电还可以提供更安全的通信服务。
通过对无线电环境的监测，认知无线电可以及时发现和干扰非法设备，保护通信的安全性。
认知无线电技术的发展还面临一些挑战。
首先，认知无线电需要准确地感知和分析无线电环境，这对硬件和算法的要求非常高。
其次，认知无线电需要与传统的无线电通信系统进行兼容和协调，以确保无缝的切换和共存。
此外，认知无线电还需要解决频谱资源分配的公平性和效率性问题，以保证各个用户的利益和通信质量。
尽管面临一些挑战，认知无线电技术的前景依然广阔。
随着无线电频谱资源的日益紧张，认知无线电技术将成为未来无线通信的重要发展方向。
它将为无线通信提供更高效、可靠和安全的服务，推动无线通信技术的进一步发展。
总之，认知无线电技术通过对无线电频谱的认知和智能化管理，实现了频谱资源的高效利用。
认知无线电技术
认知无线电（CR）的概念源自约瑟夫·米托拉（Joseph mitola）博士1999年的基础研究。
其核心思想是认知无线电（CR）具有学习和与周围环境互动的能力，以感知和利用卫星中的可用频谱。
空间，并限制和减少冲突的发生。
认知无线电（CR）的学习能力是使其从概念到实际应用的真正原因。
有了足够的AI，您可以从过去的经验中学到可以实时响应实际情况，包括死区，干扰和使用模式的知识。
这样，Cr使无线电设备可以根据频段可用性，位置和过去的经验来确定使用哪个频段。
随着许多CR相关研究的发展，对Cr技术的理解也不同。
最典型的模型是米托拉博士基于机器学习和模式推理的认知周期模型。
他们强调软件定义无线电（SDR）是CR的理想平台。
考虑到Cr研究的各种描述，美国FCC提出了CR的简化版本。
他们在fcc-03322中提出，任何具有自适应频谱意识的无线电都应称为认知无线电CR。
FCC更准确地将CR定义为一种无线电，它可以根据其与操作环境的相互作用来动态更改其发射机参数。
具有环境感知和传输参数自修改功能。
Cr是一种新型的无线电，可以可靠地感知宽带上的频谱环境，检测合法授权用户（主要用户）的出现，并可以自适应地占用立即可用的本地频谱。
同时，它不会在整个通信过程中对主要用户带来有害干扰。
无线环境中的无线信道和干扰将随时间变化，这意味着CR将具有高度的灵活性。
Cr的应用主要基于FCC的观点，因此也称为频谱捷变无线电，机会频谱接入无线电等。
目前，在频谱政策管理部门的推动下，一些标准化组织采用了CR技术，并制定了一系列标准来促进Cr技术在各种应用场景中的发展。
例如，IEEE 802.22工作组正在为无线LAN 上的WLAN开发基于CR的空中接口标准。
其目标是有效利用分配给电视广播的VHF / UHF 频段的空闲信道；IEEE802.16工作组正在研究H版本标准，并致力于改进策略，MAC增强和其他机制，以确保基于WiMAX的自由系统和授权系统之间的授权系统共存。
认知无线电成功案例
认知无线电成功案例
认知无线电（Cognitive Radio）是一种智能无线通信技术，它能够通过感知环境并据此自主地选择最佳的频谱资源进行通信。
这种技术已经在许多领域得到应用，并且取得了一些成功的案例。
以下是一些认知无线电成功案例的例子：
1. 军事通信：在军事通信领域，认知无线电可以通过实时频谱感知，自主地选择最佳的频段进行通信，从而提高通信的安全性和灵活性。
2. 智能城市：在智能城市和物联网应用中，认知无线电可以帮助无线网络更好地适应环境变化，优化频谱利用，并且提高网络容量和覆盖范围。
3. 电力系统：在电力系统中，认知无线电可以用于智能电力网，通过对频谱使用的优化，提高电网的可靠性和效率。
4. 紧急救援：在紧急救援通信中，认知无线电可以实时感知通信环境，为救援人员提供更可靠的通信支持，保证通信的可用性。
这些都是认知无线电成功应用的案例，表明其在不同领域具有广泛的应用前景。
随着认知无线电技术的不断发展，相信会有越来越多的成功案例涌现。
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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
认知无线电是一种能够依靠人工智能的支持，感知 无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时、自 适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空 闲频谱的无线电。即无论何时何地都能达到通信系统的 高可靠性和高效的频谱利用率，以达到最佳匹配效果。 认知无线电的主要任务就是能够自主的发现“频谱 空穴”，然后对“频谱空穴”进行合理有效地运用。
二、频谱分配原则
保证灵活性 可用频谱的信息必须实时更新，而一旦授权用户恢 复对某段频谱空间的使用，认知用户就必须在较短时间 内退出该频谱，选择其它的频谱进行通信。 提高系统性能 频谱分配技术的首要目的是对可用频谱空间进行合 理的分配，使得系统性能得到改善或逼近于最优状态。 减小信令开销和计算量 频谱分配算法的设计必须考虑用户间以及用户与中 心控制器之间控制信令的复杂程度。
基于图论的模型中规定了空闲矩阵，效益矩阵，干扰 基于图论的模型中规定了空闲矩阵，效益矩阵， 矩阵和分配矩阵四个基本矩阵。 矩阵和分配矩阵四个基本矩阵。 • 空闲频谱矩阵 • 效益矩阵
L = {ln.m ln.m ∈ {0、 N ×M 1}}
B = {b n.m }N ×M
将矩阵L与矩阵B相结合，可得出有效频谱的效益 。
非合作式 频谱分配
四、频谱分配模型
1、基于图论的频谱分配模型
图论着色模型于蜂窝通信时代就应用于小区的频 率规划和支配，是一种较为成熟的模型。由于择机使 用主用户的频谱，因此认知用户的可用频谱受到了主 用户位置、工作状态及覆盖范围的影响，具有空时变 化的特性。
认知无线电系统的图论着色模型图
图论着色模型是由Zheng等人提出的，它以图论为基 础，在频谱分配的研究中，将认知用户构成的网络拓 ( 扑结构抽象成图 GV, E, L)。图中方框代表认知用户 V， 对于认知用户（图中顶点1-5）来说有三个信道（A、 B、C）是有机会可用的，假设所有信道拥有相同的带 I 宽。 − IV 表示授权用户，它们目前正占用信道A、B、 C、C。频谱共享协议规定，主用户占用的信道不能被 其邻近的认知用户使用。因此，在主用户I − IV 干扰范 围内的认知用户不能与主用户使用同一频段。在图中， 虚线组成的圆代表各主用户的干扰范围。
T1 ( f c , B) = P ( f c , B) 1 kB
式中， P ( f , B) 表示中心频率为 f c 、带宽为B范围内的平均干 扰功率，单位为瓦特（w)，k为波尔兹曼常数。
1 c
认知无线电系统中的干扰温度模型
4、拍卖竞价模型
拍卖竞价的频谱分配模型中通常采用集中式的网络结 构，中心控制器充当拍卖人，认知用户为投标者。每一次 拍卖中，投标者为了满足自身需求给频谱资源投价，拍卖 人会根据确定规则来判定胜利者。 特点： 特点： 1、用户行为都是非合作性的。 2、频谱分配算法需要合理的计算开销和执行时间 3、具有集中控制和分布式行为的性质 4、信令开销小。
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频谱分配技术的分类 集中式频 谱分配 按网络 结构分 类 分布式频 谱分配 合作式频 谱分配 按合作 方式分 类
特点 以实体为中心，完成对小区各用户的频谱分 配。 无中心控制节点，频谱分配结果与节点采用 的策略有关。 小区中各节点相互合作，节点的频谱分配策 略不仅考虑本节点的应用需求，还考虑此策 略对其他用户造成的影响。 节点的频谱分配策略只考虑节点本身的需要， 这类用户可定义为自私用户，在这类分配方 式下，系统的频谱利用率与合作式分配方式 相比会有所下降。
三、频谱分配技术分类及其特点
频谱分配技术的分类 静态频 谱分配 按分配 方式分 类 特点 这种方式比较简单，系统开销小，分配不灵 活，不能满足用户不断变化的需求。
动态频 谱分配
自适应的利用频谱资源，可以满足不同用户 的需求，增大系统容量，提高频谱利用率。
混合式频谱 是静态和动态频谱分配相结合的方式，既保 分配 持了静态分配的特点，又不失去灵活性。
认知无线电 频谱分配
林培培
1
目录
认知无线电研究背景
认知无线电基本知识
认知无线电的频谱分配
认知无线电的研究背景
随着无线通信需求的不断增长,当前固定的频谱 分配政策已不能满足人们的需求,频谱资源变得越来越 紧张。而解决频谱资源匮乏问题的基本思路就是尽量 提高现有频谱的利用率。因此人们提出了认知无线电 技术,可以从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资 源,从而有效解决了频谱资源的不足,提高频谱资源的 利用率。
频谱分配博弈系统模型的流程图
该方案以频谱管理机构为 频谱分配中心具有实际意 义，它有利于频谱管理， 有利于频谱租赁市场 的规范化。
常见博弈模型
1、古诺（Cournot）博弈模型
2、伯川德（Bertrand）博弈模型
3、斯坦克尔（Stacklberg）博弈模型
4、重复博弈
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3、干扰温度模型
干扰温度主要用来度量干扰功率及其相应带宽。在这个模型 中，工作在授权频段的认知设备可以通过测量干扰环境来调 整发射机的功率、频谱等，避免对授权用户的干扰超过规定 的温度限。 干扰温度定义为：
与其他分配方式相比，拍卖竞价机制的优势是：它被 自然分散，需要较少的信令交换和计算开销。但是，拍 卖竞价模型只适用于主，次用户间为租用关系的认知无 线电系统，应用范Байду номын сангаас也具有局限性。
an ,m• ak ,m = 0
fcn ,k ,m = 1, ∀n, k < N , m < M
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2、基于博弈论的频谱分配模型
进行频谱分配时，博弈论一般用于分析分布式网络中各认 知用户是如何竞争频谱的，并根据所获信息单独进行决策。 博弈的标准式包括： （1）博弈的参与者； （2）每一参与者可供选择的战略集； （3）针对所有参与者可能选择的战略组合，每一参与者获得 的收益.