認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)：無(wú)線電管理新助手

周志平

無(wú)線電通信領(lǐng)域，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)（CR，CognitiveRadio）

的研究一直為大家所矚目。這一新興技術(shù)融合了當(dāng)代無(wú)線電通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子學(xué)技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)等多學(xué)科之長(zhǎng)，提出了一套完整的動(dòng)態(tài)頻譜資源利用和管理的方法，以期提高頻譜利用率，滿足無(wú)線電通信不斷擴(kuò)大的需求。無(wú)線電管理部門作為頻譜的主管部門，強(qiáng)烈地感受到認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)帶來(lái)的巨大影響。因此，充分合理地利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，借此來(lái)提高頻譜利用率，緩解目前緊張的頻譜資源問(wèn)題已是非常必要。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的背景

隨著各種無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，一方面頻譜資源緊缺的狀況日益突出，另一方面頻譜資源的利用率十分低下。表1說(shuō)明頻譜需求將越來(lái)越高，但頻譜資源有限。為了解決頻譜物理資源匱乏與低利用效率之間的矛盾，迫切需要一種動(dòng)態(tài)接入頻譜的方式，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)采取動(dòng)態(tài)的頻譜分配方式，可擇機(jī)接入用戶授權(quán)頻段或非授權(quán)頻段，以提高頻譜利用效率，緩解頻譜資源供求緊張的矛盾，促進(jìn)無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。因此，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被提出后，便受到了無(wú)線電管理部門及相關(guān)行業(yè)等的密切關(guān)注。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的主要工作包括頻譜感知、動(dòng)態(tài)頻譜管理和傳輸功率控制三大部分。圖1給出了一個(gè)認(rèn)知環(huán)，說(shuō)明了認(rèn)知無(wú)線電的任務(wù)和組成。

頻譜感知技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電能夠感知、適應(yīng)和學(xué)習(xí)周圍的電磁環(huán)境，發(fā)現(xiàn)頻譜空穴（Frequency Hole），熟知無(wú)線信號(hào)的特征，并合理利用這些結(jié)果，這就是頻譜感知（Spectrum Awareness）技術(shù)。

頻譜感知也叫頻譜空穴的探測(cè)，是認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的一項(xiàng)重要任務(wù)，對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。頻譜空穴的探測(cè)首先要感知外部無(wú)線環(huán)境，然后估計(jì)射頻輸入激勵(lì)的功率頻譜。為此，可以把功率頻譜區(qū)域大致分成3類：黑色區(qū)域——大部分的時(shí)間被強(qiáng)功率的信號(hào)所占用；灰色區(qū)域——在部分時(shí)間被低功率信號(hào)所占用；白色區(qū)域——沒(méi)有射頻干擾，只有外界自然或人為的環(huán)境噪聲。白色區(qū)域可以被非授權(quán)用戶所使用，灰色區(qū)域在一定程度上也可以被非授權(quán)用戶所使用。當(dāng)黑色區(qū)域中的發(fā)射機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，非授權(quán)用戶一定要避免使用。然而，在特定的位置，當(dāng)那些發(fā)射機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，黑色區(qū)域就成了新的“頻譜空穴”，認(rèn)知無(wú)線電以適當(dāng)?shù)姆绞桨押谏珔^(qū)域當(dāng)成白色區(qū)域加以利用，達(dá)到頻譜共享。

動(dòng)態(tài)頻譜分配

由于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中用戶對(duì)帶寬的需求、可用信道的數(shù)量和位置都是隨時(shí)變化的，傳統(tǒng)的話音和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜分配（DSA， Dynamic Spectrum Allocation）方法不完全適用。另外要實(shí)現(xiàn)完全動(dòng)態(tài)頻譜分配（Fully DSA）受到很多政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的限制。因此目前基于CR的DSA的研究主要基于頻譜共享池（Spectrum Pooling）這一策略?；陬l譜共享池策略的DSA實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受限的信道分配問(wèn)題，以最大化信道利用率為主要目標(biāo)的同時(shí)，還需考慮干擾的最小化和接入的公平性。

功率控制

采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜共享的前提是必須保證對(duì)主用戶不造成干擾，而每個(gè)分布式操作的認(rèn)知用戶的功率分配是造成干擾的主要原因，因此需要探索適用于CR技術(shù)的分布式功率控制方法。

到目前為止，一般主要應(yīng)用信息論和對(duì)策論來(lái)解決其功率控制的難題。多用戶認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的功率控制問(wèn)題首先可看作是一個(gè)對(duì)策論的問(wèn)題。若不考慮競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，可看作純合作對(duì)策，這樣該問(wèn)題就簡(jiǎn)化為一個(gè)最優(yōu)控制理論問(wèn)題，但限制了問(wèn)題的許多方面。因此，用對(duì)策論方法研究的功率控制問(wèn)題最終被歸結(jié)為一個(gè)非合作對(duì)策。目前主流的方法是采用Markov對(duì)策進(jìn)行分析解決。實(shí)現(xiàn)功率控制的另一種方法是基于信息論的迭代注水法。分析表明迭代注水法更適用于多用戶環(huán)境，可通過(guò)增加遺憾意識(shí)的學(xué)習(xí)機(jī)制提高其性能，以支持更多用戶接入。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)頻率資源的動(dòng)態(tài)使用，在無(wú)線電通信領(lǐng)域和無(wú)線電管理中應(yīng)用廣泛。CR技術(shù)切實(shí)提高了有限的無(wú)線電頻譜利用率，也給無(wú)線電管理工作帶來(lái)了新的工作思路和方向。

軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著戰(zhàn)場(chǎng)上智能化、信息化裝備的逐漸增多，戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境愈加惡劣，頻譜資源也日益匱乏。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)為這一問(wèn)題的解決提供有效途徑，軍用認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)具備電磁環(huán)境感知能力，通過(guò)對(duì)環(huán)境的理解和學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)調(diào)整內(nèi)部配置，以適應(yīng)外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化。它將環(huán)境感知、信號(hào)處理、人工智能、軟件無(wú)線電、資源調(diào)度分配、功率控制、協(xié)同通信等多項(xiàng)技術(shù)綜合在一起， 在無(wú)需專門授權(quán)的情況下，認(rèn)知無(wú)線電能夠借助頻譜感知等技術(shù)接入已授權(quán)的頻段，極大地提高頻譜利用效率和通信系統(tǒng)性能。

目前在軍事上應(yīng)用主要有三個(gè)方面：電磁環(huán)境感知和通信指揮一體化、軍用認(rèn)知頻譜管理、軍用認(rèn)知抗干擾通信。

災(zāi)后應(yīng)急通信中的應(yīng)用

災(zāi)害發(fā)生時(shí)，電信企業(yè)都面臨兩大考驗(yàn)：一方面通信網(wǎng)絡(luò)受到不同程度的損壞，信息通信服務(wù)保障能力大大降低；另一方面政府和公眾均十分迫切地想了解災(zāi)情，通信業(yè)務(wù)“井噴式”增長(zhǎng)，形成通信阻塞。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)從解決應(yīng)急通信中的中頻信道擁堵，而高頻段頻譜利用率低下的問(wèn)題出發(fā)，使得無(wú)線通信設(shè)備可以接入授權(quán)的高頻空閑頻譜，并動(dòng)態(tài)地利用頻譜，有望緩解現(xiàn)有通信線路的擁堵問(wèn)題，為應(yīng)急通信的建設(shè)展開(kāi)了另一種技術(shù)前景。

無(wú)線電管理中的應(yīng)用

無(wú)線電管理部門作為無(wú)線電頻譜的直接主管部門，面對(duì)無(wú)線通信行業(yè)新技術(shù)新產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，頻譜需求不斷攀升，有必要利用和發(fā)揮認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電頻譜利用最大化。

當(dāng)前，認(rèn)知無(wú)線電在無(wú)線電管理中的應(yīng)用面臨的最大障礙是政策問(wèn)題，而不是技術(shù)挑戰(zhàn)。頻譜的缺乏主要是由于靜態(tài)（固定）的頻譜分配體制而不是頻譜資源本身的缺乏，固定頻譜管理策略所導(dǎo)致的頻譜資源沒(méi)有被充分利用實(shí)際上是“頻率資源緊張”的主要原因，原有的靜態(tài)的無(wú)線電管理手段已經(jīng)不能適應(yīng)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的管理，需要改革和完善。

當(dāng)前分配給電視頻道的固定頻帶只允許受讓者使用，即使受讓者不使用，該頻道帶寬處于閑置狀態(tài)時(shí)，也不允許其他設(shè)備使用。同樣，在特定區(qū)域內(nèi)未經(jīng)分配的電視頻道頻帶也不允許其他設(shè)備使用，甚至不能被同一區(qū)域的其他電視廣播設(shè)備使用，因此這些頻道總是處于未使用狀態(tài)。此外，頻道之間也存在著未使用的頻譜，因?yàn)楦鱾€(gè)電視廣播設(shè)備的發(fā)射功率很高，可能會(huì)相互干擾，只有在各發(fā)射頻道之間有一個(gè)很寬的頻譜間隔，電視調(diào)諧器才可能清晰地接收廣播信號(hào)。面對(duì)這些狀況，無(wú)線電管理部門可以通過(guò)理順頻譜分配資源，分析政策障礙，制定切實(shí)有效的政策，統(tǒng)籌地方其他相關(guān)管理部門在無(wú)線電管理方面的協(xié)調(diào)工作。那么，通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)和無(wú)線電管理，這些閑置低利用率的優(yōu)質(zhì)頻段可以被再次利用，從而提高無(wú)線電頻譜的利用率，大大緩解了目前頻譜緊張的局勢(shì)。

此外，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)對(duì)于無(wú)線電管理部門而言不但可以解決頻譜資源緊張的矛盾，而且無(wú)線電監(jiān)測(cè)也可以借助其先進(jìn)的頻譜感知技術(shù)來(lái)提升監(jiān)測(cè)能力。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的深遠(yuǎn)影響

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)頻率資源的動(dòng)態(tài)使用，提高無(wú)線電頻譜的利用率，有效解決目前嚴(yán)重的頻譜資源緊張問(wèn)題。這一無(wú)線電通信新技術(shù)對(duì)頻譜資源管理影響深遠(yuǎn)，將會(huì)是無(wú)線電技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。

對(duì)于無(wú)線電管理部門來(lái)說(shuō)，這既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)是無(wú)線電管理部門如何才能更好地利用和發(fā)揮認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)。這就要求無(wú)線電管理部門在管理上有所突破，學(xué)習(xí)更先進(jìn)的管理模式，需要考慮長(zhǎng)期演進(jìn)的頻譜管理戰(zhàn)略，以逐步開(kāi)放的方式，制定不同階段適合對(duì)認(rèn)知技術(shù)開(kāi)放的頻段，將傳統(tǒng)的封閉式、保護(hù)式的頻率劃分機(jī)制改變?yōu)殚_(kāi)放式、互補(bǔ)式、動(dòng)態(tài)靈活的頻譜管理方式。機(jī)遇是借此契機(jī)，無(wú)線電管理部門借助認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)來(lái)提升能力，有效地解決無(wú)線電工作中的軟肋，進(jìn)一步加強(qiáng)同相關(guān)管理部門的協(xié)調(diào)工作。

無(wú)線電通信新技術(shù)發(fā)展層出不窮，無(wú)線電管理部門要與時(shí)俱進(jìn)，不斷提高監(jiān)測(cè)能力和管理水平，保障無(wú)線電頻率使用安全，切實(shí)維護(hù)好空中電波秩序，更好地服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。

（作者單位：浙江省無(wú)線電監(jiān)測(cè)站）endprint