认知无线电学习笔记一：综述概述类

认知无线电学习笔记一:综述概述类

CNKI 2007.01.01—2008.09.03有关CR的概述类文献选读。

1.{Title}: 无线通信领域的“下一个大事件”——认知无线电{Author}: 韦海珍{Journal}: 通信对抗{Year}: 2007 {Issue}: 03 ★★

该文认为:CR是对SDR的进一步扩展,SDR只关注信号处理的软件实现,而CR 则强调对无线环境的感知并据此调整系统的工作参数,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。

作者认可的是FCC对CR的经典定义:CR是无线终端利用其与周围无线环境进行交互所获取的无线背景知识,调整传输参数、实现无线传输的能力。则具备了CR 能力(环境感知探测能力和据此调整传输频点及相关传输参数的能力)的设备即为CR设备。认知用户(非授权的二级用户)可在对主用户(授权的一级用户)不造成干扰的情况下伺机接入可用频谱,从而在空间、时间、频率上实现对频谱资源的多维利用,提高频谱资源的利用率。显然CR 的真正运行还需要规则上的支持:FCC通过了《FCC规则第15章》修正案(2003.12);DARPA 拟定XG计划;IEEE成立802.22工作组(2004.10,WRAN);SDRF成立了CR小组。

该文章认为CR功能的实现基于一个认知循环的过程:始于无线电激励的被动感知,以做出反应行为而终止。一个基本的认知循环要经历3种基本过程,即无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测和频谱管理。但是文章对这3个基本过程的描述很不清楚,估计是参考某种特殊的CR实例而又没给出该实例。

作者总结的CR关键技术有三:准确、快速的频谱感知技术,自适应数据传输技术,动态频谱资源管理。

频谱感知分两个阶段:第一阶段检测感兴趣频段是否存在主用户信号,寻找可用的频谱资源;第二阶段在使用频谱资源的过程中要持续地检测外部环境,一旦主用

户出现在所用频点上,认知用户要在第一时间感知到它的存在并尽快为其腾出信道(切换到其它空闲频点,或改变发射功率、调制模式以避免对主用户造成干扰)。多个认知用户之间共享感知信息的所谓协同感知,通过数据融合可提高检测可靠性,降低误判概率。

CR数据传输必须适应频带范围可能很宽且不连续这种情况。作者认为有两种基本途径,即多载波技术和基带信号发射波形设计,并推崇前者的OFDM技术,构成所谓的非连续OFDM(NC-OFDM)。自适应数据传输使CR的重构能力(设备的动态编程)尤为重要,这要基于SDR技术。

动态频谱资源管理的实现作者列出了两种方法:OFDM技术避开主用户的频点(overlay), UWB技术的是认知用户的干扰温度低于主用户可承受的干扰门限(underlay)。

作者认可利用UWB实现CR是最好的途径,即所谓的CUWB。UWB可根据CR得到频谱信息和动态频谱分配策略来自适应地构建系统的频谱结构,生成相应的频谱灵活的脉冲波形。CR和UWB的结合,使得CUWB一方面能根据功率、距离和数据率要求进行频谱优化,解决UWB的共存问题,另一方面UWB技术能帮助解决CR实现上遇到的诸如复杂射频前段设计等难题。

2.{Title}: 认知无线电:原理、技术与发展趋势{Author}: 王军李少谦(成电){Journal}: 中兴通讯技术{Year}: 2007 {Issue}: 03 ★★★

该文描述的内容有很多与1是相互重叠的,但角度和说法存在着差别。

原理介绍中首先给出的定义还是FCC的:“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。”这一定义很明了,但也失于过于简单缺乏操作性。而后给出了Simon

Haykin教授从信号处理角度下的定义:“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。”这个定义就富有操作性多了。

由定义作者总结出CR应具备的2个特征:其一为认知能力,其二为重构能力。认知能力的实现包括频谱感知、频谱分析和频谱判决3个步骤。这与文1中所谓认知循环的3个基本过程(无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测和频谱管理)是相对应的。重构能力指的是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。CR的目标是在不对频谱授权用户产生有害干扰的前

提下利用其空闲频谱提供可靠的通信服务。

SDR和CR是由同一个人——Joseph Mitola Ⅲ——先后提出的,二者的区别

在于:SDR 关注的是无线电信号的处理方式,而CR是更高层的概念(文1称为对SDR 的扩展),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。

文中列举的CR物理层关键技术包含了文1的前两项(频谱感知技术和数据传

输技术),可能认为频谱资源管理不属于物理层技术而舍弃之,并补充了一项,为宽带射频前端技术。对CR应用,宽带射频前段需要在大的动态范围内检测弱信号,直接实现非常困难,通常可考虑限波滤波器或通过智能天线的空域滤波来滤出强信号,降低剩余信号的动态范围。频谱感知中多个认知节点采取协同的方式有两种:集中式协同感知是指感知节点将本地感知结果送到BS(或AP)统一进行数据融合,做出决策;分布式系统感知则是各节点间相互交换感知信息,各节点独自决策。除单个节点的感知能力外,网络拓扑结构和数据融合方法也会影响到协同频谱感知的性能。文中对文1没有说明白的“基带信号发射波形设计”这一数据传输途径(另一为多载波)

做了解释:通过在时、频或者码域设计特殊的发射波形,生成满足特定频谱形状的发射信号,如频域合成波形的变换域通信系统(TDCS)等。

关于CR的发展现状,文章列举的重要研究项目有: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。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。最引人关注的是IEEE802.22工作组的制定的利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准。

最后作者预计了CR的发展方向:一、基本理论和相关应用的研究,比如CR的

信息论基础、与CR网络相关的频谱资源管理和跨层联合优化等技术;二、试验系统验证开发;三、与现有系统的融合(认知用户和授权用户协调工作)。

3.{Title}: 认知无线电及其组网技术{Author}: 刘玉涛谭学治(哈工

大){Journal}: 移动通信{Year}: 2008 {Issue}: 02 ★★★★

本篇文章比文1和2都更多讨论具体的事务,眼界也许没有上两篇宽广,但也

少了大而无当的嫌疑,更接近实际场景。

3GHz以下频段日益紧张的事实是:非授权频段因WLAN、WPAN等逐渐成为人们接入互联网的日常手段而日趋饱和,而授权频段(如广播电视频段)却使用效率低下。为解决这种频谱资源分配的不合理,CR技术应时而生。

文章简介的四项CR关键技术比前两篇文章都要细致和具体。其一为干扰温度,由FCC 提出,用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户产生的干扰。包括非授权用户信号在内的累积干扰不能超过保证授权用户正常运行的干扰温度门限。其二为动态频谱分配,目前的