认知无线电应用思考

1、关于认知无线电的应用思考认知无线电核心思想是CR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可用频谱，并限制和降低冲突的发生。CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。工程化得话，就是基于与操作环境的交互能动态改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能。CR是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户(主用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。过程：通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输

2、功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。认知无线电中，次级用户动态的搜索频谱空穴进行通信，这种技术称为动态频谱接入。在主用户占用某个授权频段时，次级用户必须从该频段退出，去搜索其它空闲频段完成自己的通信。1.平台结构认知无线电的物理平台的实现是以软件无

3、线电平台为基础的，其物理平台结构与软件无线电平台结构基本相同，两者之间的比较如图39所示，它主要在软件无线电平台的基础上增加了感知，学习等功能，以实现其独特的认知能力。其中，无论对于软件无线电平台还是认知无线电平台，软件部分的硬件支撑都是通用硬件平台。也就是说，从图1可以看出，和软件无线电类似，认知无线电物理平台也主要由射频前端、数模模数转换器以及通用硬件平台3个部分组成。图1认知无线电与软件无线电物理平台结构的比较其中，为软件提供硬件支撑的认知无线电通用硬件平台的组成和结构与软件无线电系统的硬件平台基本类似，但除了常见通信系统所需的数字信号处理外，认知无线电还需要完成频谱感知、频谱分析、频谱

4、判决等认知无线电特有的功能。而认知无线电平台中使用的A/D和D/A模块的作用和性能指标也与软件无线电系统基本相同。A/D和D/A模块一般集成在通用硬件平台之中。另外，认知无线电平台射频前端除了完成软件无线电系统所需的不同频段的宽带射频信号和中频信号之间的转换外，还需要协助甚至单独完成宽带频谱感知等认知无线电特有的功能。但就结构而言，认知无线电平台的射频模块与软件无线电平台的射频前端基本类似。关于认知无线电的射频前端技术将在下面重点介绍。相对软件无线电系统而言，认知无线电系统射频模块的特点就是，它需要协助系统甚至单独完成宽带频谱感知功能。这个功能要求射频模块的射频硬件具有很宽的工作频带范围，从而

5、实现对频谱信息实时的、大范围的测量。和软件无线电射频模块类似，认知无线电射频模块的基本体系结构如图4所示。图2认知无线电的宽带射频前端结构从图2中可以看出，和软件无线电的射频模块类似，认知无线电的射频前端具有混频、放大和自动增益控制等功能，实现大频谱范围内的射频信号与中频信号之间的转换，从而解决A/D的性能不满足对射频信号直接采样的问题。其中，可编程带通滤波器、低噪声放大器、可编程本地振荡器以及混频器和自动增益控制等需要具有与软件无线电平台类似的性能参数。为了协助完成认知无线电系统的认知功能，对周围无线电环境中的授权用户进行检测，认知无线电系统的射频模块对某些部件的要求要高于软件无线电系统，它

6、要求射频前端具有在大动态范围内检测一个或多个弱信号的能力，即接收机需要具有足够的工作带宽和灵敏度，使其能准确地检测不同频带不同功率电平的主信号。同时，考虑到频谱感知一般由能量检测、特征检测等方法完成，如果射频模块需要单独完成频谱感知，它还需要具有信号处理功能。2.研究现状目前，国内外认知无线电技术的研究大都集中在物理层、MAC层、网络层的功能方面，如频谱感知、功率控制、频谱共享、频谱移动性管理、认知无线电的安全技术以及认知无线电的跨层设计等技术。针对认知无线电的发展，世界各国通信专家都密切关注，国内外的大学和科研机构也相续开展了认知无线电技术的研究。其中主要的研究机构有美国国防高级研究计划署（

7、DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、维吉尼亚无线通信技术中心、英国移动电信技术虚拟中心多模终端研究小组、布里斯托尔大学通信系统研究中心和欧洲通信协会等。此外，美国加州大学伯克利分校的无线研究中心、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院等也有关于认知无线电方面的研究。近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，并开展了相关的研究，这些研究机构主要是清华大学、电子科技大学、西安交通大学及香港科技大学等高校。鉴于目前的认知无线电的研究状况，国家“863”计划基金也在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。3.认知无线电的标准认知无线电技术被视

8、为解决当前频谱资源利用率低的有效方案。各标准化组织和行业联盟纷纷展开对认知无线电技术的研究，并着手制定认知无线电的标准和协议，以其推动认知无线电技术的发展和应用。涉及认知无线电标准化的机构主要有美国电气电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛（SDRForum）和美国国防部高级研究计划署（DARPA）等。IEEE涉及认知无线电的标准最受关注的有两个：IEEE802.22和IEEESCC41（或者称为P1900）。其中，IEEE802.22是采用认知无线电技术为基础的空中接口标准，IEEESCC41的标准化工作主要涉及动态频谱接入的相关技术。另外，我们认为，共存问题、动

9、态频谱选择和功率控制、动态频谱接入等技术都属于认知无线电的范畴。因此，除上述两个标准之外，IEEE还有其他几个标准也涉及认知无线电，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。已经完成的标准化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）IEEE802.11h-2003。应用10.1在WRAN中的应用2003年12月，FCC在其规则的第15章公布了修正案。法律规定7“只要具备认知无线电功能，即使

10、是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”，这为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。WRAN的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带（北美为54862MHz）的频率用作宽带访问线路，将空闲频道有效地利用起来。IEEE802.22标准工作组于2005年9月完成了对WRAN的功能需求和信道模型文档，2006年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并，并于2006年3月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础。认知无线电10.2在UWB中的应用UWB技术产生于20世纪60年代，当时主要应用于脉冲雷达（ImpulseRadar），美国军方利用其进行安全通信中的

11、精确定位和成像。至20世纪90年代之前，UWB主要应用于军事领域，之后UWB技术开始应用于民用领域。UWB由于具有传输速率高、系统容量大、抵抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，被认为是下一代无线通信的革命性技术，而且是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术。认知无线电采用频谱感知技术，能够感知周围频谱环境的特性，通过动态频谱感知来探测“频谱空洞”，合理地、机会性地利用临时可用的频段，潜在地提高频谱的利用率。与此同时，认知无线电技术还支持根据感知结果动态地、自适应地改变系统的传输参数，以保证高优先级的授权主用户对频段的优先使用，改善频谱共享，与其他系统更好地共存。认知无线电10.3在WLAN中的

12、应用以IEEE802.11标准为基础的无线技术已经成为目前WLAN技术的主流，通过接入无线网络实现移动办公已经成为很多人生活方式的一部分。随着无线局域网的普及，频谱资源越来越紧张，某些工作频段的通信业务近乎达到饱和状态，无法满足新的业务请求；同时，某些其他频段比较空闲，能够提供更多的可用信道。在这样的背景下，认知无线电技术的出现和发展为解决以上问题带来了新的思路。认知无线电技术能通过不断扫描频谱段，获得这些可用信道的信道环境和质量的认知信息，自适应地接入较好的通信信道，这正是解决WLAN频段拥挤问题的方法。因此认知无线电技术对于WLAN而言更具有吸引力。而且无线局域网具有工作区域小、工作地点灵

13、活、无线环境相对简单等特点，更有利于认知无线电技术的实现。认知无线电10.4在Mesh网络中的应用无线Mesh网络是近几年出现的具有一种无线多跳（Multi-hop）的网络结构。在Mesh网络中，每个节点可以和一个或者多个对等节点直接通信；同时也能模拟路由器的功能，从邻近节点接收消息并进行中继转发。这样，Mesh网络通过邻近节点之间的低功率传输取代了远距离节点间的大功率传输，实现了低成本的随时随地接入。网络中所有节点之间是相互协作的，如果Mesh网络中的一条链路失效了，网络可以通过替代链路将信息路由到目的地，优化了频谱的使用。认知无线电和无线Mesh网络结合，正是在增大网络密度和提高服务吞吐量

14、的发展趋势下提出来的，适用于可能有严重的线路争用情况的人口稠密城市的无线宽带接入。认知Mesh网络通过中继方式可以有效地扩展网络覆盖范围，当一个无线Mesh网的骨干网络是由认知接入点和固定中继点组成时，无线Mesh网的覆盖范围能够大大增加。尤其是在受限于视距传输的微波频段，认知Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入。认知无线电10.5在Ad-hoc中的应用一般的多跳Ad-hoc网络在发送数据包时会预先确定通信路由。认知无线电技术能够实时地收集信息并且自动选择波形，并向各方通知尚未使用的频率信息，适用于具有不可提前预测的频谱使用模式的应用场景。因此，当认知无线电技术应用于低功耗多跳Ad-hoc网络，能够满足分布式认知用户之间的通信需求。由于认知无线电系统可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择，而频率的改变通常需要路由协议等进行相应调整，因此，基于认知无线电技术的Ad-hoc网络需要新的支持分布式频率共享的MAC协议和路由协议。4.存在问题：1.当前，装备上通信频段使用比较窄，是否适用；在频谱政策管理部门的带动下，一些标准化组织采用了CR技术，并先后制定了一系列标准以推动该技术在多种应用场景下的发展。例如，IEEE802.22工作组对基于CR的无线区域网络WLAN