認(rèn)知無線電概念與發(fā)展現(xiàn)狀淺析

萬雅品

摘要：該文首先對(duì)于認(rèn)知無線電、軟件無線電、自適應(yīng)無線電、可重構(gòu)無線電、智能無線電的概念進(jìn)行介紹和辨析，明確了他們的關(guān)系；而后介紹了認(rèn)知無線電的核心技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀；討論了認(rèn)知無線電技術(shù)與不同技術(shù)的交叉，介紹了認(rèn)知無線電技術(shù)目前和未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；軟件無線電；智能無線電；可重構(gòu)無線電；自適應(yīng)無線電

1認(rèn)知無線電與其他無線電

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)頻譜資源的需求越來越大，但真正可供使用的頻譜資源卻越來越匱乏。為了解決頻譜資源不足的問題，采用機(jī)會(huì)方式頻譜接入機(jī)制的認(rèn)知無線電技術(shù)得到了人們的重視。認(rèn)知無線電CR（Cognitive Radio）這個(gè)概念最早是JosephMitola博士在1999年提出的，它最初的定義是“在無線電相關(guān)領(lǐng)域運(yùn)用推理模型在能力方面達(dá)到特定水平的無線電”。經(jīng)過發(fā)展，更詳細(xì)的定義為“在無線電以及通信的領(lǐng)域里，使用無線數(shù)字設(shè)備和其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)智能通過計(jì)算來滿足用戶的通信需要，同時(shí)依據(jù)需求來選擇適當(dāng)?shù)臒o線電資源，達(dá)到最佳的無線電服務(wù)水平”。無線通信發(fā)展所面臨的瓶頸之一就是頻譜資源的不足，造成這一問題的主要原因有二：一方面，當(dāng)前普遍采用的靜態(tài)頻譜管理體制留給新系統(tǒng)、新業(yè)務(wù)的可用資源非常少；另一方面，據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）研究表明，頻譜的使用情況是動(dòng)態(tài)變化的，大部分時(shí)段和空間的頻譜利用率非常低。構(gòu)建以認(rèn)知無線電技術(shù)為核心的動(dòng)態(tài)頻譜管理體制，可以從根本上緩解頻譜資源緊張的局面。當(dāng)然，認(rèn)知無線電技術(shù)不僅僅是頻譜接入這么簡(jiǎn)單，它還包含了頻譜感知、學(xué)習(xí)和推理、信道估計(jì)與自適應(yīng)傳輸、網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)等眾多技術(shù)。

1.1與軟件無線電概念辨析

軟件定義無線電SDR（Software Defined Radio），簡(jiǎn)稱軟件無線電，其概念是“一種新型的無線電體系結(jié)構(gòu)，它通過硬件和軟件的結(jié)合使無線網(wǎng)絡(luò)和用戶終端具有可重配置能力”。SDR是1992年Mitola博士提出的，人們通常說認(rèn)知無線電技術(shù)CR是對(duì)軟件無線電技術(shù)SDR的深化與發(fā)展。同時(shí)，雖然產(chǎn)生有先后，并且由同一個(gè)人提出的，CR和SDR技術(shù)還是有很大的區(qū)別。

兩者不是絕對(duì)的因果關(guān)系。軟件無線電的靈活性、可重配置結(jié)構(gòu)，很利于認(rèn)知無線電使用軟件無線電技術(shù)平臺(tái)，未來大部分認(rèn)知無線電設(shè)備可能基于軟件無線電，但這并不表明認(rèn)知無線電設(shè)備必須具備軟件或現(xiàn)場(chǎng)可編程器件，軟件無線電技術(shù)只不過是認(rèn)知無線電技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方案。認(rèn)知無線電也可能使用硬件無線電平臺(tái)。

認(rèn)知無線電具有感知能力和智能選擇能力。認(rèn)知無線電最初是為了解決頻譜資源緊張問題，而進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜接入的一種方法。認(rèn)知無線電在感知頻譜環(huán)境的基礎(chǔ)上，有目的地實(shí)時(shí)改變工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的高效利用，為解決當(dāng)前頻譜資源利用率低的問題提供了理論與技術(shù)支持。而軟件無線電目標(biāo)是采用硬件功能軟件化的方法，實(shí)現(xiàn)硬件功能的軟件定義。軟件無線電是軟件化硬件帶來的靈活可重構(gòu)；認(rèn)知無線電是頻譜感知、學(xué)習(xí)、判斷、選擇所帶來的智能化。

1.2與其他無線電的關(guān)系

1.2.1自適應(yīng)無線電

傳統(tǒng)的自適應(yīng)無線電可以通過調(diào)整參數(shù)與協(xié)議，以適應(yīng)預(yù)先設(shè)定的信道與環(huán)境。自適應(yīng)無線電不具備學(xué)習(xí)能力和決策能力，不能適應(yīng)未預(yù)先設(shè)定的信道與環(huán)境。而認(rèn)知無線電能根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理、計(jì)劃，更重要的是能夠決策未來以適應(yīng)用戶需求。所以認(rèn)知無線電是自適應(yīng)無線電的一種進(jìn)化方向，包含在自適應(yīng)無線電中。

1.2.1可重構(gòu)無線電

可重構(gòu)無線電是可以通過軟件控制來改變硬件功能的無線電?？芍貥?gòu)無線電可以是軟件無線電也可以是硬件無線電。更新內(nèi)容可以是物理層波形，甚至是協(xié)議層。更新范圍可以是一部分，也可以是全部。如果通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)命令來更新軟件，當(dāng)能在線快速更新時(shí)，具有SDR的優(yōu)勢(shì)；但當(dāng)需要斷電更新時(shí)，受到的限制比較多。可重構(gòu)無線電與認(rèn)知無線電沒有必然關(guān)系。

1.2.3基于策略的無線電

基于策略的無線電可以在不改變內(nèi)部軟件的前提下通過更新來適應(yīng)新的監(jiān)管政策。例如因特網(wǎng)路由器就是基于策略的。認(rèn)知無線電可以采用基于策略無線電的技術(shù)，但是基于策略的無線電與認(rèn)知無線電沒有必然關(guān)系。

1.2.4智能無線電

智能無線電是根據(jù)以前或當(dāng)前情況對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提前進(jìn)行調(diào)整的無線電。認(rèn)知無線電還包括了對(duì)以前的結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)、決策和調(diào)整的功能。智能無線電實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無線電的部分功能，包含在認(rèn)知無線電中。

2認(rèn)知無線電核心技術(shù)

認(rèn)知無線電本質(zhì)是一種無線電體系結(jié)構(gòu)。作為通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，我們首先關(guān)心其輸入信號(hào)。認(rèn)知無線電是一種具有4種輸入的技術(shù)，即對(duì)自己的工作環(huán)境的理解、用戶對(duì)通信系統(tǒng)需求的理解、對(duì)應(yīng)該使用哪種規(guī)范策略的理解以及對(duì)自身能力的理解。掌握了這四種輸入之后，認(rèn)知無線電起作用的過程可以看作是一個(gè)“觀測(cè)、決策和行動(dòng)”的循環(huán)（observe，decide，act cycle），如圖1所示。正因?yàn)槭且粋€(gè)循環(huán)，這個(gè)過程由行動(dòng)來拉動(dòng)。當(dāng)某種通信活動(dòng)即將開始，這就確定了通信的性能需求，也就是對(duì)于通信活動(dòng)的條件；為了完成這些要求，必須掌握足夠的信息指導(dǎo)判斷，獲得四種輸入以觀測(cè)當(dāng)前狀態(tài)，掌握能夠調(diào)節(jié)的項(xiàng)目和可調(diào)節(jié)的范圍；決策的輸入來自觀測(cè)過程，決策也分為單邊決策和多邊決策兩種。制定決策的過程包括優(yōu)化、功能支持和學(xué)習(xí)等方面。

2.1行動(dòng)過程

根據(jù)預(yù)期的發(fā)射和接收性能設(shè)置通信系統(tǒng)發(fā)射和接收的參數(shù)。決定調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)是在物理層還是更高層。此過程受到硬件條件和通信環(huán)境的限制。最重要的是在可靠通信的前提下避免或者減小干擾。

2.2觀測(cè)過程

觀測(cè)過程主要有4種方式：正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、借助專門硬件的檢測(cè)、對(duì)檢測(cè)內(nèi)容的信號(hào)分析結(jié)果，以及從以往經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)到的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)。在觀測(cè)過程中，確定外部環(huán)境頻譜占用情況的過程稱之為頻譜感知，檢測(cè)其他用戶信號(hào)的方法有能量檢測(cè)、匹配濾波和特征檢測(cè)三種。頻譜感知又分為非協(xié)作頻譜感知和協(xié)作頻譜感知兩大類，前者由單用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行；后者則需要多個(gè)用戶分享各自的感知信息。協(xié)作頻譜感知分為集中式和分布式，集中式需要一個(gè)可以收集所有節(jié)點(diǎn)信息的主要節(jié)點(diǎn)，類似于基站；而分布式的沒有主節(jié)點(diǎn)，各自與其鄰節(jié)點(diǎn)交換信息。除此之外還可通過訪問數(shù)據(jù)庫和頻譜感知網(wǎng)絡(luò)來獲得信息。

2.3決策過程

決策過程主要分為兩類：一類是配置自身相關(guān)參數(shù)，充分利用頻譜等資源，并避免干擾其他用戶；另一類是當(dāng)可用資源變化時(shí)，認(rèn)知無線電重新配置自身相關(guān)參數(shù)，并重新定位周圍環(huán)境資源。簡(jiǎn)單說來就是在頻譜接入時(shí)選擇能量適中不干擾他人的通信參數(shù)；在頻譜被占用時(shí)重新觀測(cè)和配置并快速接入。

3認(rèn)知無線電發(fā)展現(xiàn)狀

3.1與不同學(xué)科交叉

在決策中需要從多種方案和可能中進(jìn)行優(yōu)化，并假定優(yōu)化條件輔助判斷，進(jìn)而進(jìn)行歸納和推理，達(dá)到學(xué)習(xí)的目的并最終指導(dǎo)決策；所以這部分內(nèi)容與許多學(xué)科發(fā)生交叉，比如人工智能AI（artificial intelligence）和博弈論。人工智能技術(shù)的應(yīng)用，可以在認(rèn)知無線電中引入專家診斷系統(tǒng)，進(jìn)行案例推理，使用遺傳算法或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等等。當(dāng)接入頻譜采用協(xié)商式頻譜共享方式時(shí)，問題核心是主/次用戶問的競(jìng)爭(zhēng)與合作。由于博弈論廣泛應(yīng)用于分析、設(shè)計(jì)高效的共享競(jìng)爭(zhēng)策略，近幾年將博弈論應(yīng)用于認(rèn)知無線電領(lǐng)域，有不少代表性的研究工作。在四種典型的博弈論模型中，古諾模型為二級(jí)用戶爭(zhēng)取頻譜帶寬，伯特蘭德模型解決用戶收費(fèi)，納什議價(jià)獲得所有二級(jí)用戶收益最大值，勢(shì)博弈著眼于信道質(zhì)量的提升。

認(rèn)知無線電技術(shù)并不能保證無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)在鏈路層的頻譜效率，只有把認(rèn)知無線電設(shè)備通過中繼協(xié)作等與主要的無線系統(tǒng)共存使用，才能進(jìn)一步提高頻譜利用率。認(rèn)知無線電技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)CRN（cognitive Radio Networks）技術(shù)。

3.2目前的熱點(diǎn)方向

3.2.1認(rèn)知OFDM系統(tǒng)

第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以正交頻分復(fù)用（OFDM）為核心技術(shù)。OFDM技術(shù)實(shí)際上是多載波調(diào)制的一種。具有頻譜利用率高、抗衰落能力強(qiáng)、適合高速數(shù)據(jù)傳輸和抗碼間干擾（ISI）能力強(qiáng)等特點(diǎn)。與認(rèn)知無線電技術(shù)結(jié)合后的系統(tǒng)具有頻譜感知、頻譜成形、自適應(yīng)和抗窄帶干擾等特點(diǎn)。

3.2.2認(rèn)知MIMO系統(tǒng)

多輸人多輸出（MIMO）技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)，它采用的是分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經(jīng)證明，當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時(shí)，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。與認(rèn)知無線電結(jié)合后，能夠提供載波頻率和復(fù)用增益的雙重靈活性。

3.2.3認(rèn)知超寬帶系統(tǒng)

2002年2月，F(xiàn)CC制定的關(guān)于超寬帶UWB的法規(guī)獲得通過，定義“-10dB功率點(diǎn)處的相對(duì)帶寬大于20%或者射頻帶寬大于500MHz的信號(hào)”為超寬帶信號(hào)。超寬帶信號(hào)會(huì)對(duì)共享頻段的窄帶信號(hào)產(chǎn)生干擾，自身也會(huì)受到其他系統(tǒng)在某頻段的強(qiáng)干擾。認(rèn)知超寬帶CUWB（Cognitive Ultra WideBand）系統(tǒng)將結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是一種基于頻譜感知的具有自適應(yīng)功率掩蔽、自適應(yīng)頻譜接入能力的新型超寬帶系統(tǒng)。

3.3未來的熱點(diǎn)方向

3.3.1農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用

農(nóng)村地廣人稀，無線頻譜資源分布不均。但是由于人少，在頻域、時(shí)域和空域都有豐富的資源。認(rèn)知無線電能帶來低成本的通信服務(wù)，是一種有效選擇方案。

3.3.2蜂窩移動(dòng)網(wǎng)

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，不同頻段要運(yùn)行多種無線接入網(wǎng)絡(luò)，終端要能夠重新分配，某些終端還要在不同的無線接人網(wǎng)絡(luò)上支持多個(gè)同步連接。這時(shí)的通信帶寬增大，環(huán)境變化要求終端能夠快速切換網(wǎng)絡(luò)來保證穩(wěn)定性。未來的5G網(wǎng)絡(luò)中也期待認(rèn)知無線電技術(shù)支持。

3.3.3軍事通信

認(rèn)識(shí)無線電技術(shù)在軍事上主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括三個(gè)方面：認(rèn)知抗干擾通信，根據(jù)干擾信號(hào)選擇抗干擾通信策略，提高抗干擾水平甚至實(shí)現(xiàn)反干擾；戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知，將電磁環(huán)境感知與通信結(jié)合在一起，既能通信又能組成電磁環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)；戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜監(jiān)測(cè)和管理，提高頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，拓寬頻譜管理的涵蓋頻段。

除此之外，在安全方面和應(yīng)急通信方面，都有認(rèn)知無線電技術(shù)可以發(fā)揮的平臺(tái)。認(rèn)知無線電技術(shù)不僅能有效地使用頻譜，而且具有靈活、增強(qiáng)容錯(cuò)能力和提高能量效率等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。