認(rèn)知無線電技術(shù)研究

【摘 要】認(rèn)知無線電技術(shù)是解決目前頻譜利用率低的重要技術(shù)，它允許認(rèn)知無線電用戶使用當(dāng)前未使用的頻段進(jìn)行通信。本文首先簡(jiǎn)要介紹認(rèn)知無線電技術(shù)的有關(guān)概念，然后分析了認(rèn)知無線電應(yīng)該具備的一些主要功能，最后對(duì)認(rèn)知無線電的一些關(guān)鍵技術(shù)如頻譜檢測(cè)、頻譜分配、功率控制等進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知無線電 頻譜檢測(cè) 頻譜分配 功率控制

一、認(rèn)知無線電的定義

認(rèn)知無線電的概念最初是由Joseph Mitola Ⅲ博士基于軟件無線電技術(shù)提出的。但是認(rèn)知無線電技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，其研究和應(yīng)用都不再局限于最初的范疇，不同的研究者從不同的角度對(duì)認(rèn)知無線電給出了其定義和內(nèi)涵。根據(jù)認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展，我們可以得出認(rèn)知無線電的一個(gè)比較清晰的概念：認(rèn)知無線電是一種智能無線通信系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地檢測(cè)周圍的環(huán)境狀況，從中獲取信息，并智能地調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)（如傳輸功率、載頻、調(diào)制方式等）以適應(yīng)環(huán)境的變化，從而達(dá)到在不對(duì)主用戶造成干擾的條件下從空間、頻率、時(shí)間等多維地利用空閑頻譜資源進(jìn)行通信的目的。

二、認(rèn)知無線電的主要功能

（一）檢測(cè)

由特殊應(yīng)用環(huán)境所決定，認(rèn)知無線電必須具備精確的無線頻譜檢測(cè)能力，必須在可使用的全頻段范圍內(nèi)多維度進(jìn)行頻譜檢測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)可使用的頻段。由于是免許可使用，認(rèn)知無線電必須具備迅速發(fā)現(xiàn)主用戶的能力，在工作過程中時(shí)刻檢測(cè)主用戶是否處于活動(dòng)狀態(tài)， 從而確保不對(duì)其產(chǎn)生干擾。

（二）分析

認(rèn)知分析包括對(duì)自身性能、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部狀態(tài)、外部相關(guān)數(shù)據(jù)（包括頻譜使用、策略使用等）和用戶自身需求等相關(guān)知識(shí)的分析。如果說檢測(cè)是信息的獲取，那么分析就是對(duì)相關(guān)信息的初步處理。認(rèn)知無線電設(shè)備通過所獲取的頻譜檢測(cè)結(jié)果分析主用戶的位置、使用的頻點(diǎn)和發(fā)射時(shí)間，同時(shí)分析可用頻點(diǎn)位置、可用帶寬、信道狀況、自身傳輸可能會(huì)對(duì)其他用戶產(chǎn)生的影響以及完成業(yè)務(wù)傳輸所需的帶寬和時(shí)間等等。

（三）調(diào)整

調(diào)整能力是完成傳輸?shù)年P(guān)鍵，根據(jù)檢測(cè)和分析的相關(guān)結(jié)果，認(rèn)知無線電設(shè)備通過先進(jìn)的功率控制技術(shù)、不同的編解碼以及調(diào)制技術(shù)，選擇合適的頻點(diǎn)和發(fā)射時(shí)機(jī)，從而成功地完成傳輸。這就要求認(rèn)知無線電設(shè)備能夠在較寬的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同傳輸方案之間的切換，并且在突發(fā)事件發(fā)生后能夠及時(shí)暫?；蚧謴?fù)傳輸，確保在不干擾首要用戶的情況下獲取最大限度的傳輸能力。

（四）推理和學(xué)習(xí)

由于當(dāng)前無線頻譜環(huán)境的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單的檢測(cè)、推理和分析可能無法獲得較好的傳輸性能。如何根據(jù)無線背景環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)是一個(gè)非常重要的課題。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，獲得一定的參考信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整是一個(gè)較好的解決方案。一般來講，這種推理和學(xué)習(xí)分為三種：第一種是基于簡(jiǎn)單固定規(guī)則，即輸人、輸出可以預(yù)測(cè)；第二種是基于較為復(fù)雜的模型，運(yùn)用一些模糊規(guī)則，輸出結(jié)果不可完全預(yù)測(cè)；第三種是基于學(xué)習(xí)型的模型，系統(tǒng)運(yùn)行過程中能夠不斷調(diào)整模型及其參數(shù)，從而獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

三、認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)

（一）頻譜檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電通信的前提和先決條件是對(duì)周圍頻譜環(huán)境的感知，只有對(duì)頻譜進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，才能有效利用空閑頻譜進(jìn)行通信。當(dāng)前，無線環(huán)境檢測(cè)的基本方法大致可以分為基于發(fā)射機(jī)的檢測(cè)、基于接收機(jī)的檢測(cè)和多節(jié)點(diǎn)協(xié)同檢測(cè)三種。其中，發(fā)射機(jī)檢測(cè)是分析偵聽到的信號(hào)中是否存在主用戶信號(hào)，而接收機(jī)檢測(cè)是判斷主用戶接收機(jī)是否處于工作狀態(tài)。相比較而言，發(fā)射機(jī)檢測(cè)比接收機(jī)檢測(cè)要容易，因而目前絕大多數(shù)的研究都是集中在發(fā)射機(jī)檢測(cè)。另外，通過多節(jié)點(diǎn)協(xié)同檢測(cè)，能夠提高檢測(cè)的可靠性，減小多徑、陰影的影響，但不可避免的會(huì)增加系統(tǒng)通信開銷與復(fù)雜性。頻譜檢測(cè)一般由物理層完成，物理層檢測(cè)所有可用自由度（時(shí)間、頻率、空間等）的頻譜，以辨識(shí)當(dāng)前可用于傳輸數(shù)據(jù)的信道。

（二）頻譜分配

頻譜分配是指根據(jù)需要接入系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目及其服務(wù)要求將頻譜分配給一個(gè)或多個(gè)指定節(jié)點(diǎn)。頻譜分配策略的選擇直接決定系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及能否滿足用戶因不同業(yè)務(wù)而不斷變化的需求。因此，頻譜分配問題的研究是認(rèn)知無線電技術(shù)發(fā)展必須解決的關(guān)鍵問題之一。

認(rèn)知無線電的頻譜分配與其它通信系統(tǒng)的頻譜分配具有很多共同的特性，但由于認(rèn)知無線電自身?yè)駲C(jī)借用主用戶頻譜的特點(diǎn)，其頻譜分配也必須滿足一些特殊的要求。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的頻譜分配必須考慮三方面的問題：一是認(rèn)知無線電用戶對(duì)主用戶的干擾問題，二是認(rèn)知無線電用戶之間的干擾問題，三是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的效益和用戶間的公平性問題。

自認(rèn)知無線電概念的提出直至發(fā)展到今天，不少學(xué)者為認(rèn)知無線電中的頻譜分配問題提出了分析模型，它們大多是借鑒于一些經(jīng)典的數(shù)學(xué)理論以及微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)理論等。目前，可應(yīng)用于認(rèn)知無線電的頻譜分配分析的模型主要有：圖論著色模型、干擾溫度模型、拍賣競(jìng)價(jià)模型、博弈論模型等幾種。

（三）功率控制

認(rèn)知無線電中可利用已授權(quán)頻譜資源的前提是不影響授權(quán)用戶的正常通信。為此，具有認(rèn)知功能的非授權(quán)用戶必須控制其發(fā)射功率，避免給其他授權(quán)用戶造成干擾。目前，實(shí)現(xiàn)功率控制主要有兩種方法。一種是基于信息論的反復(fù)注水法，使用該方法會(huì)使發(fā)送端在增益較多的子信道上分配更多的能量，而在衰減比較厲害的子信道上分配較少的能量，甚至不分配能量，從而在整體上充分利用現(xiàn)有資源，達(dá)到最大傳輸容量。另一種就是博弈論（game theory），也稱對(duì)策論，是研究決策主體行為發(fā)生直接相互作用時(shí)的決策以及這種決策的均衡問題，它可以劃分為合作博弈和非合作博弈。當(dāng)不考慮競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象時(shí)，就是合作博弈，功率控制問題就簡(jiǎn)化為一個(gè)最優(yōu)控制理論問題。當(dāng)用博弈論方法研究每個(gè)用戶最大化自己的效用時(shí)，功率控制問題被歸結(jié)為一個(gè)非合作博弈。

四、總結(jié)

認(rèn)知無線電作為一種新興的頻譜共享技術(shù)，目前受到了廣泛關(guān)注。本文首先對(duì)認(rèn)知無線電的有關(guān)概念進(jìn)行了介紹，隨后分析了認(rèn)知無線電的檢測(cè)、分析、調(diào)整、推理和學(xué)習(xí)等主要功能，最后對(duì)認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)如頻譜檢測(cè)、頻譜分配、功率控制等進(jìn)行了分析。