認知無線電與多維度的協(xié)作通信

[摘要] 認知無線電技術已經(jīng)向“網(wǎng)絡與系統(tǒng)”的框架轉(zhuǎn)變，為增強認知能力、降低認知成本，協(xié)作手段成為必然。物理層鏈路技術面臨進一步提升性能的“瓶頸”，通過不同網(wǎng)絡元素間的多維度協(xié)作提高系統(tǒng)整體性能是下一階段移動通信系統(tǒng)增強的主要途徑。在這一過程中，對環(huán)境背景信息和用戶業(yè)務特征的廣泛感知是智能化協(xié)作與聯(lián)合資源管理的重要基礎。認知無線電與多維度協(xié)作通信的結合將成為技術發(fā)展的必然趨勢。

[關鍵詞]認知無線電;多維度協(xié)作通信;協(xié)作認知;認知無線網(wǎng)絡;聯(lián)合資源管理

The view of cognition is being upgraded from cognitive radio to cognitive network and system. The cooperation becomes a powerful tool to improve the capability of cognition and lower the cost. Meanwhile， the performance of physical link techniques is close to the theoretical limitation. Further system performance improvement should rely on the multi-dimension cooperation among different entities in the entire system. The awareness of context and characteristics of radio environments and users’ traffic will be the foundation of both cooperative communications and joint radio resource management. Therefore， the combination of cognitive radio and multi-dimension cooperative communications is expected to be the future direction of mobile communications.

cognitive radio; multi-dimension cooperative communications; cognitive wireless network; joint radio resource management

認知無線電和協(xié)作通信都是當前理論研究及產(chǎn)業(yè)界關注的熱點技術。經(jīng)過10年的研究，認知無線電技術已經(jīng)由單純的“無線電”視角向“網(wǎng)絡與系統(tǒng)”的框架轉(zhuǎn)變。而協(xié)作通信也在從早期的協(xié)作中繼向更多維度的廣泛協(xié)作前進。在技術發(fā)展過程中，認知無線電和協(xié)作通信的研究者都發(fā)現(xiàn)，對方的技術思路與概念對突破自身的技術發(fā)展“瓶頸”、提高技術實現(xiàn)效率具有重要參考作用，所以二者的結合將成為技術發(fā)展的必然趨勢。

1 從認知無線電到認知無線網(wǎng)絡

認知無線電(CR)的概念最早由瑞典人Mitola博士于20世紀90年代末期提出[1]。自此之后的10年間，認知無線電逐漸成為國際無線通信學術界的研究熱點之一。在研究過程中，不同組織和團體對認知無線電也提出了各自的定義。綜合不同標準化及工業(yè)界組織(如ITU-R、IEEE、SDR論壇)及工業(yè)界主要公司(如Intel、Alcatel-Lucent、France Telecom等)的定義，可以發(fā)現(xiàn)，認知無線電系統(tǒng)應該具備檢測、分析、調(diào)整、推理、學習等能力。事實上，這些具體功能就是一個認知循環(huán)的主要組成部分，這一過程中的主要特征與屬性包括:

●有意識的。認知無線電系統(tǒng)能夠偵測、存儲、回憶并傳播關于射頻環(huán)境、地理信息和環(huán)境背景的信息。

●可調(diào)整的。在取得環(huán)境信息的基礎上，認知無線電系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)關鍵參數(shù)(如工作頻率、功率、調(diào)制方式等)進行調(diào)整，以適應環(huán)境的要求。

●自動化的。認知無線電系統(tǒng)無需用戶干涉，能夠自行做出各種情況的調(diào)整。

●自適應的。認知無線電系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的行為和選擇，調(diào)整自身的工作模式與策略，通過推理和學習，更好地適應和滿足用戶需要。

關于認知無線電技術框架[2]的典型描述如圖1所示。

可以發(fā)現(xiàn)，典型的認知無線電技術框架均包含兩個主要組成部分:

●認知引擎

●可重配置的無線收發(fā)信機

其中，可重配置的無線收發(fā)信機是認知無線電系統(tǒng)的基礎，通過可重配置特性，實現(xiàn)認知無線電系統(tǒng)中可調(diào)整與自動化的特征。

在實現(xiàn)可重配置特性的過程中，軟件定義無線電(SDR)技術可以發(fā)揮重要作用。在SDR系統(tǒng)中，由于無線收發(fā)信機的主要組成部分可以通過軟件定義，則系統(tǒng)可在同一個硬件平臺上，僅通過軟件配置即可實現(xiàn)系統(tǒng)整體的重配，此特性對提高系統(tǒng)重配效率、降低全壽命成本具有重要意義。同時，必須指出，SDR技術并不是實現(xiàn)認知無線電技術的必要條件。傳統(tǒng)的硬實現(xiàn)方式架構下，通過同時實現(xiàn)多模式、多頻段的硬件平臺，也可在一定程度上滿足可重配置的工程實現(xiàn)需要。

認知引擎(CE)將定義認知無線電系統(tǒng)獲取、分析外界環(huán)境信息，并通過推理、學習，調(diào)整自身工作模式與策略的框架與機制，是認知無線電系統(tǒng)的核心，集中體現(xiàn)認知無線電有意識和自適應的特征屬性。認知引擎的主要構成要素包括環(huán)境監(jiān)測模塊和推理學習模塊。這其中，推理學習模塊主要體現(xiàn)認知無線電的自適應特征，環(huán)境監(jiān)測模塊是認知引擎的基礎部分，通過偵測無線環(huán)境或者從其他數(shù)據(jù)源獲得無線環(huán)境的信息，體現(xiàn)認知無線電系統(tǒng)的有意識的特征。該部分也一直是認知無線電領域的研究熱點，重點集中于對無線電頻譜使用情況的偵測[3]。

無線電頻譜偵測的目的在于找出適合通信的“頻譜空洞”，在不影響已有通信系統(tǒng)的前提下伺機工作。長期以來，無線電頻譜偵測的基本出發(fā)點都基于“全能型”無線電終端，由終端對頻譜進行掃描，并識別頻譜空洞。早期的檢測方法有采用導頻信號和周期平穩(wěn)過程特征檢測等。目前的仿真和分析表明，采用合作分集的方法可達到上述的可靠檢測概率要求。合作偵聽允許多個認知用戶之間相互交換偵聽信息，這可顯著提高頻譜的偵聽和檢測能力。采用物理層和MAC層聯(lián)合偵聽的跨層設計方法也可極大地提高頻譜偵聽能力。

回顧10年來的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，國際學術界和工業(yè)界對認知無線電技術的研究思路經(jīng)歷了一個發(fā)展變化的過程，即:由單純的“無線電”視角向“網(wǎng)絡與系統(tǒng)”的框架轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)的“無線電”視角之下，認知無線電系統(tǒng)所要求的有意識的、可調(diào)整的、自動化和自適應的特征，需要由“全能型”的無線收發(fā)信機(支持所有模式所有頻段)來偵測、發(fā)現(xiàn)并協(xié)商適合的工作頻率、波形及協(xié)議。然而，隨著研究工作的開展與深入，這一傳統(tǒng)“無線電”視角逐漸暴露了局限性:

●所謂“全能型”收發(fā)信機的實現(xiàn)成本、復雜度、功耗等因素使其在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。

●僅僅關注了無線鏈路底層，而忽視了不同網(wǎng)絡節(jié)點之間的交互及協(xié)作。

●無法反映用戶業(yè)務與應用對無線系統(tǒng)的影響與需求。

所以，認知無線電的研究視角逐漸從無線鏈路的底層功能擴展到了更高層次的協(xié)議和網(wǎng)絡設計，認知無線網(wǎng)絡(CWN)已逐漸成為認知無線電未來研究和產(chǎn)業(yè)化方向的共識。在認知無線網(wǎng)絡的框架內(nèi)，無線網(wǎng)絡將根據(jù)其與周邊多維環(huán)境(網(wǎng)絡、協(xié)議、應用等)交互信息的情況，調(diào)整其網(wǎng)絡特性，實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能。

2 多維度協(xié)同的移動通信

移動通信技術發(fā)展的歷史表現(xiàn)為一個發(fā)現(xiàn)和利用新的無線資源維度、提高系統(tǒng)整體頻譜效率的過程。20世紀70年代出現(xiàn)的蜂窩技術，使頻率復用成為可能，擴展了頻率資源的空間。而20世紀80年代開始的數(shù)字化過程，則開啟了時間軸的資源空間。世紀之交出現(xiàn)的多輸入多輸出(MIMO)技術，啟動了空間資源維度的利用?？梢哉f，這3次資源維度的開辟都極大地推動了移動通信技術的發(fā)展。近年來，隨著大量新技術的逐漸引入，物理層單鏈路性能得到了迅速提高，圖2反映了一些典型3.5G技術的物理層鏈路性能。

以進展數(shù)據(jù)優(yōu)化(EV-DO)、高速數(shù)據(jù)分組接入(HSPA)和IEEE802.16為代表的3.5G移動通信技術，已經(jīng)實現(xiàn)了相當高的鏈路性能，其鏈路性能已經(jīng)基本達到仙農(nóng)極限的3 dB界，通過傳統(tǒng)技術手段，進一步提升鏈路性能的空間已經(jīng)相當有限。而進一步的性能突破將有賴于新的無線資源維度的發(fā)掘，而開拓新的無線資源維度則依賴于物理學和信息論領域的理論創(chuàng)新。在新的理論突破實現(xiàn)之前，為了挖掘系統(tǒng)潛力，提升系統(tǒng)整體性能，對既有技術進行合理的組合及協(xié)同，將成為必然的選擇。在多個資源維度上的協(xié)作通信，將是提升系統(tǒng)的有效手段，并將逐漸成為工業(yè)界關注的熱點。表1總結了在不同資源維度上的協(xié)作通信的協(xié)作元素、目的及典型的技術方案。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，大部分協(xié)作通信技術都是建立在對用戶業(yè)務類型、所處無線環(huán)境特征等信息充分了解的基礎之上，只有對相關背景信息有了充分了解，才能完成不同元素間的智能化協(xié)同，而對這些背景信息的感知與采集只能通過認知無線電和認知無線網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)?？梢哉f，未來多維度的協(xié)作移動通信對認知無線電技術有著天然的需求。

3 認知技術與多維度協(xié)同的結合

綜合所述，認知無線電技術和協(xié)作通信技術在各自發(fā)展的過程中都發(fā)現(xiàn)，吸納對方的技術思路能夠更好地實現(xiàn)自身的技術目標，所以二者的結合成為必然趨勢。

3.1 通過協(xié)作增強認知能力

如前文所述，傳統(tǒng)的頻譜偵測技術對無線收發(fā)信機提出了很高的要求，要求其具有“全能型”特性，支持廣泛的無線電頻段并能識別大量不同的無線接入技術，這一要求將極大地提高認知無線電終端設備的復雜度和成本。同時，大范圍的頻譜偵測過程也將耗費大量時間，造成服務時延，并增大終端耗電。另一方面，由于無線通信的特殊環(huán)境，信號傳播過程中存在多徑、陰影效應等干擾因素，因此個別認知用戶由于特殊的地理位置可能會出現(xiàn)較低的檢測概率，從而加劇了對于授權用戶的干擾。這種情況下，協(xié)作認知技術能夠在很大程度上提高頻譜和環(huán)境背景信息的偵測效率，提高偵測的可靠性并降低成本。具體又可分為認知用戶間的協(xié)作和用戶與網(wǎng)絡間的協(xié)作[4]。

如圖3所示，由于無線信道存在多徑、陰影效應等因素，單一認知用戶的檢測在某些特殊情況下性能會很差。由于陰影效應，認知用戶1會錯誤檢測到當前頻段空閑，然后會使用該頻段，從而對授權接收用戶造成干擾。解決這個問題的方法是采用協(xié)作檢測，圖3中通過認知用戶1和2的協(xié)作檢測，雖然有陰影效應的影響，還是能夠比較準確的檢測出當前頻段的使用情況[5-6]。

同時，為了改善大范圍的頻譜偵測過程的時延、耗電等問題，網(wǎng)絡與認知用戶間的協(xié)作也逐漸成為研究的重點。認知導頻信道(CPC)的概念被作為一個關鍵的激活器提出(如圖4所示)，在學術界和工業(yè)界引起了廣泛關注。

認知導頻信道將在異構無線網(wǎng)絡環(huán)境下，支持網(wǎng)絡和用戶終端設備的重配置管理，其核心思路類似于電話運營商提供的電話簿功能，用戶開機后或者產(chǎn)生業(yè)務需求時，通過監(jiān)聽廣播的認知導頻信道，獲取當?shù)氐倪\營商、無線接入技術和相關頻點信息，根據(jù)這些信息自適應的確定準備接入的運營商網(wǎng)絡、頻點及使用的無線接入技術。通過網(wǎng)絡和認知用戶間的配合，可以極大地簡化認知無線電終端在頻譜偵測方面的復雜度與開銷，提高認知無線電系統(tǒng)的整體效率。同時，CPC的概念還為異構網(wǎng)絡資源的綜合利用提供了新視角與可能性[7-8]。

3.2 基于認知的協(xié)作系統(tǒng)

通過引入認知技術，智能化的協(xié)作異構網(wǎng)絡將可能逐漸成為現(xiàn)實，從而推動異構網(wǎng)絡中各要素間的充分協(xié)同，利用智能的聯(lián)合資源管理提高無線資源的使用效率。為了在異構網(wǎng)絡間進行聯(lián)合資源管理和網(wǎng)絡自組織、自配置，網(wǎng)絡環(huán)境信息和用戶終端的狀態(tài)與行為特征，都將是必不可少的基礎?？梢哉f，沒有環(huán)境背景信息的認知，就無法在異構無線網(wǎng)絡中很好的進行無線資源管理與自組織自配置。在此意義上，認知無線電技術有可能成為異構網(wǎng)絡協(xié)同與自組織、自配置的重要關鍵技術。尤其對于不同網(wǎng)絡層次間的協(xié)作、不同無線接入技術間的協(xié)作，以及不同頻譜資源間的協(xié)作，網(wǎng)絡對用戶環(huán)境背景信息的充分認知以及網(wǎng)絡與用戶間的智能交互，將對提升系統(tǒng)整體運營效率至關重要，基于網(wǎng)絡與用戶協(xié)作的認知技術將在上述場景中發(fā)揮日益重要的作用，如文獻[9]提出的基于認知導頻信道的聯(lián)合資源管理框架。

通過認知導頻信道或其他類型的公共頻譜協(xié)調(diào)信道(CSCC)提供的基本信息，認知終端與網(wǎng)絡配合完成對無線環(huán)境背景信息的感知，并將所感知到的無線環(huán)境背景信息及業(yè)務流量特征反饋給網(wǎng)絡，由網(wǎng)絡根據(jù)這些感知信息，在不同的無線接入技術之間進行聯(lián)合資源管理、負荷均衡及移動性的優(yōu)化，最終實現(xiàn)系統(tǒng)整體性能和用戶體驗的最優(yōu)[10-17]。

4 結束語

認知無線電技術與多維度的協(xié)作通信都是目前學術界研究的熱點，也受到了工業(yè)界的廣泛關注。由于物理層鏈路技術面臨進一步提升性能的瓶頸，通過不同網(wǎng)絡元素間的廣泛協(xié)作提高系統(tǒng)整體性能必將成為下一階段移動通信系統(tǒng)增強的主要途徑。在這一過程中，對環(huán)境背景信息和用戶業(yè)務特征的廣泛感知將是智能化協(xié)作與聯(lián)合資源管理的重要基礎，所以探索認知無線電及認知網(wǎng)絡技術與多維度協(xié)作通信的結合具有充分的理論和現(xiàn)實意義，將成為未來一段時期的研究、標準及產(chǎn)業(yè)熱點。

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收稿日期:2009-11-09

楊光，現(xiàn)工作于中興通訊股份有限公司標準部，具有豐富的通信設備制造和通信網(wǎng)絡運營經(jīng)驗，目前專注產(chǎn)品開發(fā)及技術標準研究工作。