认知无线电研究背景意义与现状

1、认知无线电研究背景意义与现状1 认知无线电的产生背景2 认知无线电的产生3 认知无线电技术的国内外研究现状4 认知无线电频谱感知技术的研究意义5 认知无线电技术研究的主要任务1 认知无线电的产生背景随着无线通信技术的飞速发展，无线用户的数量急剧增加，可用频谱资源变得 越来越稀缺。当今绝大多数频谱资源都是采用固定的分配模式，由专门的频 率管 理部门分配给特定的授权用户使用。而对于另外一些非授权用户的通信需求，如无 线局域网 (Wireless Local Area Network ，WLAN、) 无线个域网 (Wireless Personal Area Network ，WPAN等) ，由于其

2、近几年发展迅速，导致这些网络所工作 的非授权频段逐渐趋向饱和。据美国研究结果指出，现有的频谱管理与分配策略是 造成频谱资源紧缺的重要原因之一，导致某些网络频谱资源相对较少但其承载的业 务量很大，而相当多的已授权的频谱并没得到充分的使用。美国联邦通信委员会 (Federal Communications Commission, FCC) 在 2002 年出版的报告中指出，已分 配的频谱利用率为 15,85, ，已经分配的 3GHz以下的频谱资源中多达 70, 未被充分 利用。一项中国移动的研究表明，大多数频段利用率不到 5%，密集城区一周频段 占用度的测试结果显示，占用度较高的频率主要集中 41

3、0-954MHz频段， GSM下行 频段占用度最高，广播频段、集群系统下行和 ISM 频段次之，其他频段的占用度则 极低。其中 GSM频段资源块的占用度明显高于广播频段。 GSM频段占用度大于 0.1 的资源块约占总数的 62%，广播频段占用度大于 0.1 的约 8%。15 图 1 频谱利用情况调查分析由此可以看出 : 频谱资源实际上是很充裕的，频谱的缺乏主要是由于静态(固定)的频谱分配体制而不是频谱资源本身的缺乏。这种在空域、时域和频域中出现的可 以被利用的频谱资源被称为“频谱空穴 (Spectrum Holes) ”。对此开发一种新的更 优化的频谱资源利用方法变得十分重要。2 认知无线电的

4、产生 基于以上的现状，为了解决频谱资源运用匮乏的问题，基本思路就是尽量提高 现有频谱的利用率。通过对静态频谱资源分配体制问题研究，人们开始考虑是否可以允许没有频谱 使用许可权的用户在对法定用户不产生任何干扰的情况下按照“伺机”的方式工作 在已授权的频段内。这种创新大胆的思路对解决现有频谱资源缺乏的问题很有意 义，后来这个概念就被称作认知无线电。认知无线电 (Cognitive Radio) 的概念是由 MITRE公司顾问、瑞典皇家技术学 院博士生 Joseph.Mitola 和GERALD Q. MAGUIRE, JR教授于 1999年 8 月在 IEEE Personal Communica

5、tions 杂志上首次提出的。随着概念的提出， FCC于 2004年5月颁布了 TV频带的 NPRM(Notice of ProposedRule Making) ，同年 9 月批准了 IEEE(SA 标准委员会 IEEE 802(22 的项目授权 请1 求 (PAR) 。这作为认知无限电由概念到实现的首个标准，主要任务是为没 有VHF/UHF(Very High Frequency/Ultra High Frequency) 频谱使用许可的设备 制定基于认知无线电的物理 (PHY)层和媒体访问控制 (MAC)层空间接口标准，以使这 些设备能够工作于 VHF/UHF频段而不对电视广播业务产生干

6、扰，其在认知无限电技 术的演变过程中有着非常重要的意思。认知无线电 (CR) 也被称为智能无线电，从广义上来说是指无线终端具备足够的 智能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学 习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源 ( 包 括频率、调制方式、发射功率等 ) 完成无线传输。认知无线电应该具备以2 下两个主要特征 :(1) 认知能力，认知能力使 CR能够从其工作的无线环境中 捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源( 也称为频谱空洞) ，并选择最适当的频谱和工作参数。 (2) 重构能力，重构能力使得 CR设备可 以根据

7、无线环境动态编程，从而允许 CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。 可以重构的参数包括 : 工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。总之，认知无线电的核心思想是认知无线电具有学习能力，能与周围环境交互 信息，以感知和利用在该空间的频谱空穴，并限制和降低冲突的发生。但由于认知 无线电的相关研究才刚刚起步，相关的研究还没有成熟，导致了有各种不同的解决 观点。主要的观点有(1) Mitola 的观点瑞典皇家理工学院的 Joseph Mitola 博士认为，软件是实现认知无线电的理想 平台。认知无线电的认识强调其学习和推理能力，认为认知无线电系统能够通过学习不断感知无线环境的变化，并通过自适应地调

8、整自身内部的通信机理来适应无线 环境的变化。图 2 为 Maryland 大学的 Thomas博士提供的认知无线电网14 络模型。射频政策事实 知识库 推理引擎观察 感知 配置CR应用编程接口学习引擎 哦 软件定义无线电14 图 2 Thomas 对认知无线电模型的认识(2) FCC 的观点FCC认为，认知无线电是通过无线电设备根据与它的操作环境进行交互而改变 其传输参数而实现的过程。软件只可能是作为定义无线电，没有要求实时可编程的 要求。(3) Simon Haykin 的观点Simon Haykin 博士结合 Mitola 博士与 FCC的观点，重新解释了认知无线电， 他认为: “认知无线

9、电是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用 比如传输功率、载波频率人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些参数(和调制技术等 ) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到 任何时间任何地点的高度可靠通信和对频谱资源有效利用的目的。”如图 3 所示。Simon Haykin 的定义较好的兼顾了数字信号处理、网络、人工智能和计算机软 硬件的实现，在该定义的基础上提出的认知环模型也能较好地反映认知无线电的概 念和内涵。无线环境射频信号发射信号无线频谱探测干扰 发射功率控制及 信道状态估计频谱管理 与预测 量化的信道容量3 图 3 Simon Haykin 提出的认知环3 认

10、知无线电技术的国内外研究现状 ? 国外研究现状1) 频谱池 (Spectrum Pooling) 系统由德国 Karlsruhe 大学的 F(K(Jondral 教授等人提出的频谱池 (SpectrumPooling) 系统是一个基于 OFDM的中心控制的动态频谱接入系统。频谱池 (Spectrum Pooling) 系统通过特殊设计的帧结构执行网络可用频谱资源的感知。 2) DRIVE,Over DRIVE项目该项目是欧洲环境下提供移动 IP 服务的项目，其主要目标是 : 通过公共协调信 道在异构网络间实现动态频谱共享。项目主要研究了两个动态频谱分配方法，即时 间动态频谱分配和空间动态频谱分

11、配。3) E2R 项目作为 DRIVE/Over DRIVE 项目的延伸项目，研究通过端到端重配置网络和软件 无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来，为用户、服务提供商、管理者提 供更多可选服务的系统。4) DARPA XG项目美国国防部高级研究计划署 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency) 资助的下一代 (XG)项目的目标是使得美国军用通信设备可以检测环境 变化，根据所处环境的频谱管理政策选择频谱。项目包括两个方面 : 一是开发提供择机频谱接入的技术 ;二是开发通过灵活的政 策应用管理无线行为关键方面的长期管理框架。 XG针对对等

12、结构 adhoc(点对点 )网 络的通信采用的是完全自由的择机频谱接入。3? 国内研究现状华为公司从 2005年起就关注认知无线电的研究进展 : 资助相关学术研究，如在 北京邮电大学设立一些基金项目，并成为 IEEE 802(22 和802(16h 工作组的成员， 并赞助 CrownCom2008等与 CR有关的会议。中国移动目前对认知无线电的研究主要包括两个方面 : 一个方面是对中国的频 谱使用情况的测量，并为理论研究提供数据支持。另一个方面是理论方面的研究， 包括四个方面 : 频谱管理策略、系统和协议框架、动态频谱分配机制和频谱感知机 制。国家 863 计划在 2005 年就支持了无线电相

13、关研究项目，对关键技术进行研究 ; 并在 2008 年将认知网络技术列为重点支持项目。2008年国家自然科学基金在认知无线电领域设立重点项目群，支持3 个重点项目，重点解决频谱认知、动态频谱管理和抗干扰等问题。4 认知无线电频谱感知技术的研究意义UWB(Ultra Wideband) 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒间级的非 正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将 成为未来短距离无线通信的主流技术。其具有抗干扰性强，带宽极宽，保密性强， 发射功率非常小的特点。 UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受 控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决

14、定了信号的带宽很宽，接收机直 接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的 中频级，极大地降低了设备复杂性。但是，众多研究表明， UWB系统的频谱共享缺乏灵活性，系统间共享缺少针对 性，限制了 UWB系统性能和频谱利用率的进一步提高。当把认知无线电技术引入到 UWB系统后，使得其频谱操作环境得到了很大的改进。使得 UWB系统和认知无线电 的结合，是未来移动通信发展的方向之一。当前，认知无线电关键技术的研究主要集中在频谱感知和动态频谱管理两方 面。根据 FCC的定义，认知无线电的最大特征是能够对无线电环境进行感知。与无 线电环境的直接接触只能由系统物理层来完成，因此频

15、谱感知技术主要是一种物理 层的信号处理技术。可以说，频谱感知是认知无线电系统中物理层要实现的核心功 能。对此，频谱感知不仅是认知无线电实现的基础，同时也是认知无线电的一大技 术挑战，频谱感知的难点和关键点在于 : 待检测信号的信噪比很低，即使噪声的概 率分布已知，但是噪声能量是未知的，而且噪声能量常常是时变的。如何在一定运 算复杂度的前提下提高检测的可靠性就成了频谱感知算法研究的热点和难点。对此 频谱感知技术的研究对于认知无线电的发展具有重要的意义。5 认知无线电技术研究的主要任务一是无线电外部传输场景分析，主要包括干扰温度的估计和频谱空洞的监测。 认知无线电技术能够感知并分析特定区域的频段，

16、找出频谱空洞，而且不能对授权 用户造成干扰。在不影响现有通信系统的前提下工作，为了在某个地域应用认知无 线电技术，最先进行的工作就是对该地无线信道环境的感知，即频谱检测和“空 洞”搜寻与判定。任务之二是信道估计与预测模型，其中包括估计信道信息，预测信道容量。信 道估计的结果可用来计算信道容量，用于控制发送端的信号能量，可使用香农法则 计算信道容量，但在认知无线电系统中并不直接在发送端传输的信息，CC而是量化，一定的量化率用于反馈发送端，量化比率是预先确定的，所以接收 C机接收的信息量要小于信道容量。在信道容量分析过程中，系统反馈时延的影C响和高阶马尔可夫模型的使用也是两个值得考虑的问题，一定条件下会影响到 通信系统的性能。一般来说，无线系统的传输率是波动的，当其超出一定界限时， 就会引起系统的不正常工作，这个界限决定了最大