认识无线电及其关键技术解析
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• 2007年至今，围绕认知无线电的研究如火如荼 ➢ 学术界：找到了无线通信技术新的发展方向和热点研究内容 ➢ 监管部门：调整了频谱使用规则，引导其商用 ➢ 标准化组织：纷纷制定和发布新的通信标准 ➢ 企业界：找到了新的、巨大的、潜在的商机 ➢ 运营商：用较少的投入提供通信服务，获得更大的收益
认知无线电定义
pd P(Y / H1) Qm( 2 , )
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
• 利用通信信号的循环平稳特性实施频谱感知 • 自相关函数为 • 傅里叶级数展开
• 循环相关系数
• 循环功率谱
专业讲座（一） 认知无线电及其关键技术
重庆大学通信工程学院 冯文江
Email: fengwj@cqu.edu.cn
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
• 背景 ➢ 随着无线通信业务的快速增长，频谱需求和资源有限之间的
矛盾越来越突出——“频谱危机” ➢ 解决途径之一：寻求更高效的传输方式（MIMO、高阶调制、
• Rieser教授认为： CR采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层 和媒体接入控制层（PHY+MAC）的演进过程建模——认知引擎
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• Haykin教授认为： CR是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并利用人工智 能技术从环境中学习，通过实时改变传输参数，使其内部状态适应 接收到的无线信号的统计特性的变化——信号处理
• IEEE认为： CR是能感知外部环境的智能无线通信技术，能从环境中学习，并根 据环境变化动态调整其内部状态，以获得预期目的，其认知功能可 以采用人工智能或简单控制机制实现——智能控制
认知无线电基本原理
(Principle of CR)
• 通过分析外部环境提供的激励认识通信任务的内容；通过接收和发 送内容的分析选择解决方式
在Rayleigh衰落信道环境中，检测概率为：
x(t) 带通滤
波器
(•)2
T
0
Y
H1 H0
pd P(Y / H1) Qm( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
• 能量检测法无需信号的先验信息，实现简单，但判决门限难 以准确选择
• 门限值很大程度上受到未知噪声电平的影响，因此在低信噪 比环境的检测性能较低。
• 一种目标驱动的框架结构
• 观察-思考-行动：循环感知模型
认知无线电网络定义
（Definition of CRN）
• 认知无线电网络（cognitive radio network, CRN）：基于认知无线电 技术构建的无线通信网络
• CRN的用户节点和wenku.baidu.com入点在物理层、媒体访问控制层、网络层及应 用层都具有认知功能：认知能力+学习能力+重构能力
AMC等）——提高频谱效率 ➢ 频谱使用政策：授权（固定）、很少ISM（Industry Science
Medicine） ➢ 频谱浪费严重：3GHz以下频段，平均利用率不到10％ ➢ 解决途径之二：认知无线电技术——提高频谱利用率
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• 美国FCC认为： CR是一种通过与通信环境交互获取无线电背景知识，继而调整传输参 数，最终实现无线传输的无线电设备，主体是SDR（software defined radio），但认知无线电设备不一定必须具有软件或现场可编程能力。 FCC关注认知无线电如何提高频谱利用率——认知终端
➢ 频谱异质：认知用户通过频谱共享接入主用户网络拥有的部分授权 频段（干扰容忍、干扰避免）和免授权频段，其操作类型分为授权 频段操作和免授权频段操作
➢ 网络异构：认知用户接入网络有两种方式 认知用户网络接入：利用可用授权频段或免授权频段，接入归属认
知基站
主用户网络接入：利用可用授权频段或免授权频段，接入覆盖区域 内的主用户基站（需要协议支持、提供漫游服务）
➢ 网络组件：主用户网络+认知用户网络
免授权频段
授权频段1 主主用用户户 授权频段2 主用户
主网络
认知用户
主网络 接入
CRN接 入
CR ad hoc 接入
认知用户
频谱经纪站 CCRR基基站站 其它CRN
分布式认知网络 集中式认知网络
认知无线电网络架构
（Network Architecture of CRN）
• CRN能感知网络的现存状态，根据端到端目标，利用学习机制实时 调整网络配置，利用感知到的网络状态信息形成规划、决策和行动
• CRN是一种能够感知当前网络状态，并据此进行规划、调整和采取 适当行动的网络
认知无线电网络架构
(Network Architecture of CRN)
• 认知无线电网络架构：三要素（网络组件、频谱异质、网络异构）
关键技术之一：频谱感知
（Spectrum Sensing）
• 频谱感知：包括频谱检测、频谱分析和频谱判决，是认知无线电实现
频谱共享、频谱管理的前提
• 感知：周期性检测主用户占用频谱的状态和特点，获得“频谱空穴”， 并伺机接入空闲频谱
• 频谱感知方法
频谱感知
本地检测
协作检测
主用户发射端检测
能量检测
匹配滤波 循环平稳
（Definition of Cognitive Radio）
• 认知无线电： CR是一种智能的频谱共享技术，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，实时自适应的改变系统 工作参数（频点、功率、调制、编码），动态的检测和有效的利 用空闲频谱。
理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的频谱复用和共享。
器检测
检测
协方差特 征值检测
主用户接收端检测
振荡器功率 泄漏检测
基于干扰 温度检测
pd P(Y / H1) Qm( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
非相干检测，直接对时域信号采样求模、平方运算获得检测统计量
在AWGN信道环境中，检测概率和虚警概率分别为：
和 是完整和不完整Gamma函数， 是普遍Marcum Q函数
认知无线电定义
pd P(Y / H1) Qm( 2 , )
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
• 利用通信信号的循环平稳特性实施频谱感知 • 自相关函数为 • 傅里叶级数展开
• 循环相关系数
• 循环功率谱
专业讲座（一） 认知无线电及其关键技术
重庆大学通信工程学院 冯文江
Email: fengwj@cqu.edu.cn
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
• 背景 ➢ 随着无线通信业务的快速增长，频谱需求和资源有限之间的
矛盾越来越突出——“频谱危机” ➢ 解决途径之一：寻求更高效的传输方式（MIMO、高阶调制、
• Rieser教授认为： CR采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层 和媒体接入控制层（PHY+MAC）的演进过程建模——认知引擎
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• Haykin教授认为： CR是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并利用人工智 能技术从环境中学习，通过实时改变传输参数，使其内部状态适应 接收到的无线信号的统计特性的变化——信号处理
• IEEE认为： CR是能感知外部环境的智能无线通信技术，能从环境中学习，并根 据环境变化动态调整其内部状态，以获得预期目的，其认知功能可 以采用人工智能或简单控制机制实现——智能控制
认知无线电基本原理
(Principle of CR)
• 通过分析外部环境提供的激励认识通信任务的内容；通过接收和发 送内容的分析选择解决方式
在Rayleigh衰落信道环境中，检测概率为：
x(t) 带通滤
波器
(•)2
T
0
Y
H1 H0
pd P(Y / H1) Qm( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
• 能量检测法无需信号的先验信息，实现简单，但判决门限难 以准确选择
• 门限值很大程度上受到未知噪声电平的影响，因此在低信噪 比环境的检测性能较低。
• 一种目标驱动的框架结构
• 观察-思考-行动：循环感知模型
认知无线电网络定义
（Definition of CRN）
• 认知无线电网络（cognitive radio network, CRN）：基于认知无线电 技术构建的无线通信网络
• CRN的用户节点和wenku.baidu.com入点在物理层、媒体访问控制层、网络层及应 用层都具有认知功能：认知能力+学习能力+重构能力
AMC等）——提高频谱效率 ➢ 频谱使用政策：授权（固定）、很少ISM（Industry Science
Medicine） ➢ 频谱浪费严重：3GHz以下频段，平均利用率不到10％ ➢ 解决途径之二：认知无线电技术——提高频谱利用率
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• 美国FCC认为： CR是一种通过与通信环境交互获取无线电背景知识，继而调整传输参 数，最终实现无线传输的无线电设备，主体是SDR（software defined radio），但认知无线电设备不一定必须具有软件或现场可编程能力。 FCC关注认知无线电如何提高频谱利用率——认知终端
➢ 频谱异质：认知用户通过频谱共享接入主用户网络拥有的部分授权 频段（干扰容忍、干扰避免）和免授权频段，其操作类型分为授权 频段操作和免授权频段操作
➢ 网络异构：认知用户接入网络有两种方式 认知用户网络接入：利用可用授权频段或免授权频段，接入归属认
知基站
主用户网络接入：利用可用授权频段或免授权频段，接入覆盖区域 内的主用户基站（需要协议支持、提供漫游服务）
➢ 网络组件：主用户网络+认知用户网络
免授权频段
授权频段1 主主用用户户 授权频段2 主用户
主网络
认知用户
主网络 接入
CRN接 入
CR ad hoc 接入
认知用户
频谱经纪站 CCRR基基站站 其它CRN
分布式认知网络 集中式认知网络
认知无线电网络架构
（Network Architecture of CRN）
• CRN能感知网络的现存状态，根据端到端目标，利用学习机制实时 调整网络配置，利用感知到的网络状态信息形成规划、决策和行动
• CRN是一种能够感知当前网络状态，并据此进行规划、调整和采取 适当行动的网络
认知无线电网络架构
(Network Architecture of CRN)
• 认知无线电网络架构：三要素（网络组件、频谱异质、网络异构）
关键技术之一：频谱感知
（Spectrum Sensing）
• 频谱感知：包括频谱检测、频谱分析和频谱判决，是认知无线电实现
频谱共享、频谱管理的前提
• 感知：周期性检测主用户占用频谱的状态和特点，获得“频谱空穴”， 并伺机接入空闲频谱
• 频谱感知方法
频谱感知
本地检测
协作检测
主用户发射端检测
能量检测
匹配滤波 循环平稳
（Definition of Cognitive Radio）
• 认知无线电： CR是一种智能的频谱共享技术，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，实时自适应的改变系统 工作参数（频点、功率、调制、编码），动态的检测和有效的利 用空闲频谱。
理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的频谱复用和共享。
器检测
检测
协方差特 征值检测
主用户接收端检测
振荡器功率 泄漏检测
基于干扰 温度检测
pd P(Y / H1) Qm( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
非相干检测，直接对时域信号采样求模、平方运算获得检测统计量
在AWGN信道环境中，检测概率和虚警概率分别为：
和 是完整和不完整Gamma函数， 是普遍Marcum Q函数