試論認知無線電技術(shù)的研究及發(fā)展

王薇 馮浩

摘要：作為軟件無線電技術(shù)的一個發(fā)展，認知無線電近年來備受關(guān)注。認知無線電技術(shù)能夠?qū)o線電環(huán)境進行自動檢測。調(diào)整傳輸參數(shù)，從空間、時間、頻率、調(diào)制方式等多維度共享無線頻譜，可以大幅度提高頻譜利用效率。本文就對認知無線電技術(shù)的研究與發(fā)展，做了深入的研究與探討。

關(guān)鍵詞：無線電技術(shù)；研究發(fā)展；功能實現(xiàn)

前言

由于移動終端天線尺寸和功率的限制，可以用于無線接入的頻段很有限。在提高頻譜效率方面，目前較為先進的 CDMA 空中接口技術(shù)，如 HSDPA 可以達到 1 bit/（s·Hz）的頻譜效率，將來 OFDM 和MIMO 技術(shù)的應(yīng)用也只能達到 3～4 bit/（s·Hz）的頻譜效率。3～4倍的頻譜效率的提高對于人們成百上千倍的帶寬需求增長是微不足道的。認知無線電技術(shù)的出現(xiàn)，為解決頻譜資源不足、實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理及提高頻譜利用率開創(chuàng)了嶄新的局面。

一、認知無線電的功能與實現(xiàn)

從認知無線電的概念我們可以看到，與傳統(tǒng)的以發(fā)射機為中心的設(shè)計思想所不同，認知無線電是以接收機為中心的以目標為驅(qū)動的框架；與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是，僅僅實現(xiàn)底層的功能是遠遠不夠的，如果要確保大量認知無線電設(shè)備正常工作必然要涉及到更高層次的協(xié)議設(shè)計。

1、認知無線電的主要功能

由于認知無線電技術(shù)尚處于起步階段，對于該技術(shù)的主要功能還處于討論過程中。Mitola 博士提出的認知循環(huán)過程相對比較復(fù)雜，包括一系列認知學(xué)習(xí)步驟。當前，不同組織機構(gòu)在設(shè)計實現(xiàn)認知無線電的總體框架中所涉及的具體內(nèi)容也有所不同。從比較完整的意義上一般認為，認知無線電系統(tǒng)應(yīng)該具備檢測、分析、調(diào)整、推理、學(xué)習(xí)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。

（1）檢測

由特殊應(yīng)用環(huán)境所決定，認知無線電必須具備精確的無線頻譜檢測能力，必須在可使用的全頻段范圍內(nèi)多維度進行頻譜檢測，從而發(fā)現(xiàn)可使用的頻段。由于是免許可使用，認知無線電必須具備迅速發(fā)現(xiàn)首要用戶的能力，在工作過程中時刻檢測首要用戶是否處于活動狀態(tài)，從而確保不對其產(chǎn)生干擾。更為困難的一點是，由于廣播電視用戶多為啞終端，即僅僅完成接收功能。而作為認知無線電用戶又必須能夠發(fā)現(xiàn)他們的存在，從而避免對其產(chǎn)生干擾，這就為頻譜檢測提出了更為艱巨的要求。目前有些研發(fā)人員提出通過檢測接收機本振的頻譜泄漏來完成對啞終端的定位，但是仍處于研究階段。

（2）分析

認知分析包括對自身性能、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)知識的分析。如果說檢測是信息的獲取，那么分析就是對相關(guān)信息的初步處理。認知無線電設(shè)備通過所獲取的頻譜檢測結(jié)果分析首要用戶的位置、使用的頻點和發(fā)射時間，同時分析可用頻點位置、可用帶寬、信道狀況、自身傳輸可能會對其他用戶產(chǎn)生的影響以及完成業(yè)務(wù)傳輸所需的帶寬和時間。

（3）調(diào)整

調(diào)整能力是完成傳輸?shù)年P(guān)鍵，根據(jù)檢測和分析的相關(guān)結(jié)果，認知無線電設(shè)備通過先進的功率控制技術(shù)、不同的編解碼以及調(diào)制技術(shù)，選擇合適的頻點和發(fā)射時機，從而成功地完成傳輸。這就要求認知無線電設(shè)備具備較強的性能，能夠在較寬的頻段內(nèi)實現(xiàn)不同傳輸方案之間的切換，并且在突發(fā)事件發(fā)生后能夠及時暫停或恢復(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。

2、認知無線電的實現(xiàn)關(guān)鍵

（1）高靈敏度接收機

認知無線電在開始使用之前必須先對頻譜功率密度進行估計，以確定哪些頻點正在使用。為了精確測量頻譜，需要有高靈敏度的接收機來測定小區(qū)邊緣的信號功率。以一個位于小區(qū)邊緣的數(shù)字電視機為例，接收到的信號可能剛剛超過接收機的靈敏度要求。為了能夠檢測出這一信號，認知無線電需要具有比數(shù)字電視機更高的靈敏度。如果認知無線電不能檢測到數(shù)字電視信號，就會錯誤地認為該頻點未被使用，從而對數(shù)字電視機的解碼產(chǎn)生干擾，這種情況被稱作“隱藏節(jié)點問題”。同時，這一技術(shù)也是對首要用戶發(fā)射狀態(tài)的檢測、首要用戶定位和可用頻譜資源檢測的關(guān)鍵所在。

（2）智能處理平臺

高速智能處理平臺是認知無線電設(shè)備根據(jù)無線檢測結(jié)果分析無線傳輸背景，包括首要用戶的存在、定位、頻譜空穴的發(fā)現(xiàn)、信道狀況估計和傳輸帶寬選擇等多方面參數(shù)確定的基礎(chǔ)。當頻譜被分配后，認知無線電必須還能夠估計首要用戶的干擾容限，從而確定自身的傳輸功率。很多情況下，這個限定的量為0.5～ 1 dB，但還要取決于首要用戶接收機的鏈路余量。干擾程度至少可以通過兩個信息來確定：首要用戶信號帶寬的估計，認知無線電和被干擾設(shè)備之間的距離。信號帶寬可以用來確定被干擾設(shè)備的噪聲門限，距離可以用來確定被干擾設(shè)備接收到的認知無線電信號功率強度。假設(shè)被干擾設(shè)備的噪聲門限可以允許提高一個預(yù)先設(shè)定的量值，可以很容易計算出認知無線電最大允許發(fā)射功率。當然，這種分析過于簡單，可以進一步細化，如果認知無線電能夠?qū)κ滓脩舻男盘栴愋秃蛯?yīng)的數(shù)據(jù)速率進行盲識別，這些額外的知識可以確定被干擾設(shè)備靈敏度的具體數(shù)值。

二、未來發(fā)展與展望

認知無線電是無線電技術(shù)發(fā)展的下一個里程碑，該技術(shù)的應(yīng)用會帶來歷史性的變革。對于頻譜管制者而言，該技術(shù)可以大大提高可用頻譜數(shù)量，提高頻譜利用率，有效利用資源；對于頻譜持有者而言，可以在不受干擾的前提下開發(fā)二級頻譜市場，在相同頻段上提供不同的服務(wù)，該技術(shù)可以為設(shè)備廠商帶來更多的機會，具備認知無線電功能的設(shè)備將更具競爭力；對終端用戶而言，可以帶來更多帶寬，在認知無線電技術(shù)成熟后，用戶則可以享受到單個無線電終端接入多種無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

當然，認知無線電技術(shù)的發(fā)展目前還存在一些障礙：首先，目前頻譜管制政策尚沒有完全放開，認知無線電技術(shù)的應(yīng)用還存在很大障礙；其次，認知無線電的靈活性還需要不斷提高，必須能夠隨著應(yīng)用策略的更改靈活配置；認知無線電技術(shù)需要強大的可重配置硬件平臺，目前的硬件技術(shù)發(fā)展還滿足不了相關(guān)需求；另外認知無線電組網(wǎng)工作的語言和協(xié)議目前很不完善，需要開發(fā)專門語言和協(xié)議在設(shè)備之間共享無線背景信息。

作為無線通信領(lǐng)域的最新進展，認知無線電技術(shù)受到日益關(guān)注，雖然由于技術(shù)的限制，認知無線電近幾年內(nèi)市場不會很大，但在不久的將來將會獲得得突破性的進展，為無線電資源管理和無線接入市場帶來新的發(fā)展契機和動力。

參考文獻：

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