感知無線電技術(shù)

1、認(rèn)知無線電技術(shù)1 無線電通信頻譜是一種寶貴的資源，目前的頻譜管理主要存在3個方面的矛盾情況：頻譜使用是動態(tài)的，但頻譜分配是固定的；頻譜是稀有資源，但頻譜利用率不高，且存在大量空閑；可分配頻譜很少，但無線通信業(yè)務(wù)量和新技術(shù)在快速發(fā)展，頻譜需要量也在快速增長。導(dǎo)致這些矛盾的根本原因在于固定分配頻譜方案和獨占頻譜使用權(quán)（即業(yè)務(wù)接入權(quán)或頻譜準(zhǔn)入權(quán)）原則，因此有必要改變目前的頻譜分配和頻譜準(zhǔn)入的管理辦法，目前ITU和FCC等無線電法規(guī)部門都已開始討論和研究這個問題。但由于固定頻譜分配方案過去在頻譜規(guī)范管理方面曾發(fā)揮過很好的作用，同時存在巨大的經(jīng)濟和政治背景，短期內(nèi)改變這種狀況很困難。因此，現(xiàn)階段最實際的

2、辦法是通過改變業(yè)務(wù)接入權(quán)或頻譜準(zhǔn)入權(quán)，以開放頻譜使用、提高頻譜使用效率和充分利用空閑頻譜。特別是如果能夠?qū)⒁逊峙涞罅靠臻e的頻譜資源加以合理利用，目前頻譜資源的緊張狀況將得到極大的改善；在軍事通信對抗環(huán)境，往往既定的通信傳輸頻段因被敵方干擾或傳播環(huán)境惡劣而無法通信，必須尋找可以利用的空閑頻譜進行通信。這樣，迫切需要一種技術(shù)來解決開放頻譜和提高頻譜利用效率問題。目前已有一些提高頻譜利用效率的方法，但不能從根本上解決問題，另外開放頻譜必須保護已購買頻譜者的利益，同時不能對授權(quán)使用該頻譜的業(yè)務(wù)和系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，影響它們的正常通信。感知無線電（Cognitive Radio，CR）提供了一種按伺機

3、的方式共享和利用頻譜的手段，它可以有效地解決這兩個問題。目前采用的是基于頻譜授權(quán)的靜態(tài)頻帶分配的原則。隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，頻譜資源貧乏的問題日益嚴(yán)重，然而絕大多數(shù)國家的頻譜資源利用率卻不容樂觀1。認(rèn)知無線電技術(shù)正是基于這一問題提出的。認(rèn)知無線電是一種用于提高無線電通信頻譜利用率的新的智能技術(shù)。具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以感知周圍的環(huán)境，再利用已經(jīng)分配給授權(quán)用戶，但在某一特定的時刻和環(huán)境下并沒有被占用的頻帶，即動態(tài)再利用“頻譜空穴”；并能夠根據(jù)輸入激勵的變化實時地調(diào)整其傳輸參數(shù)，在有限信號空間中以最優(yōu)的方式有效地傳送信息，以實現(xiàn)無論何時何地都能保證通信的高可靠性和無線頻譜利用的高效性2

4、。認(rèn)知無線電的一個基本的認(rèn)知周期要經(jīng)歷三種基本過程：感知頻譜環(huán)境；信道識別；功率控制和頻譜管理。其中，認(rèn)知無線電的首要任務(wù)是感知頻譜環(huán)境，即頻譜空穴的檢測和選擇。2 頻譜環(huán)境的感知感知頻譜環(huán)境是認(rèn)知無線電首要的任務(wù)，它體現(xiàn)了認(rèn)知無線電最顯著的特征：能夠感知并分析特定區(qū)域的頻段，找出適合通信的頻譜空穴。目前，認(rèn)知無線電可能最先使用的兩個頻段是超高頻電視頻段400MHz-800MHz 和已分配較少的3GHz-10GHz頻段3。但不可否認(rèn)的是，隨著認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展，會有更多的已分配頻段供認(rèn)知用戶使用?？梢?，認(rèn)知無線電將會面對不同種類的用戶，也就要求不同的靈敏度和感知速度，因此頻譜環(huán)境的檢測方法也

5、有所不同。目前研究較多的方法有：匹配濾波器法、能量檢測法、循環(huán)平穩(wěn)特定檢測法等等。3 極弱信號的檢測問題在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，極有可能出現(xiàn)接收機的位置距離原始發(fā)送機太遠(yuǎn)，以至于它們從邊緣開始接受信號的情況。此時，頻譜環(huán)境的感知可歸類為極弱信號的檢測問題。我們不僅可以通過改進頻譜檢測法來提高弱信號的檢測概率，還可以引入“協(xié)同機制”來更好地改善極弱信號的接收問題。我們建立一個簡單的模型來說明協(xié)同機制的原理，如圖3所示，接收機R距離授權(quán)發(fā)送機P很遠(yuǎn)，只能從P用戶功率邊緣上接受信號，即接收極弱的信號。此時C1進行頻譜檢測后，極有可能誤認(rèn)為該頻帶是頻譜空穴。為了防止對授權(quán)用戶P造成干擾，我們引入?yún)f(xié)同機制。

6、假設(shè)存在認(rèn)知用戶C2滿足條件：C2處于P發(fā)射的功率主瓣范圍內(nèi)，并且C2 與P 之間的距離相對于R 與P 更近。這時，由C2 作為C1 的中繼點來感知P的發(fā)射功率，則能比較準(zhǔn)確地分辨出P是否在和R進行通信。C1將數(shù)據(jù)包發(fā)送給C2，由C2 來轉(zhuǎn)發(fā)，如果P 與R 正在通信，C2 就返回給C1一個信息，由C1決定是否等待或是尋找另外的頻譜空穴。這樣，C1 和C2就構(gòu)建了協(xié)同的關(guān)系，使C1 更快更準(zhǔn)確地感知頻譜環(huán)境。上述的模型是比較簡單的情況，只考慮了兩個認(rèn)知用戶。當(dāng)模型更復(fù)雜些，例如多用戶的感知網(wǎng)絡(luò)時，就必須考慮怎樣建立協(xié)同機制的問題了。一些文獻給出了相關(guān)討論，提出在多用戶的感知網(wǎng)絡(luò)中，兩兩綁定的協(xié)同

7、機制是比較實用的，即每兩個認(rèn)知用戶為一組，相互協(xié)同完成頻譜環(huán)境的感知7。該協(xié)同機制在很大程度上提高了感知頻譜環(huán)境的準(zhǔn)確性與效率，并且實現(xiàn)起來也比較容易.5 感知無線電是一種無線電系統(tǒng)，它能夠自動地檢測周圍的環(huán)境情況，智能地調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化，在不對授權(quán)用戶造成干擾的條件下從空間、頻率、時間等多維地利用空閑頻譜資源進行通信。它區(qū)別于其他傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)的主要特點是：對環(huán)境情況的感知能力、對環(huán)境變化的自適應(yīng)性、系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性、自主地工作和運行等。感知無線電技術(shù)是無線電發(fā)展的一個新里程碑，其應(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，

8、有效利用資源；對于頻譜持有者而言，利用該技術(shù)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)；對設(shè)備廠商而言，該技術(shù)可以帶來更多的機會，具備感知無線電功能的設(shè)備將更具競爭力；對終端用戶而言，可以帶來更多帶寬，在感知無線電技術(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；在軍事通信方面，根據(jù)感知無線電的特點可以“見縫插針”地利用空閑頻譜通信，提高通信的可靠性和對抗能力。因此，感知無線電技術(shù)必將是未來無線通信的一個重要發(fā)展方向，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。6認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀目前，CR主要出于初級階段，各項理論和技術(shù)處于研究和探索中

9、，但它已得到了各界的關(guān)注，很多著名學(xué)者和機構(gòu)投入到它的研究中。啟動了很多正對此的研究項目，最引人注目的是IEEE802.22工作組的工作，該工作組制定了利用空閑電視頻段進行寬帶無線接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個引入認(rèn)知無線電概念的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化活動。無線電知識描述語言也應(yīng)運而生，驚奇CR的主要目標(biāo)是提高頻譜利用率，研究預(yù)計，頻譜利用率將提高3% 到10%。它的長遠(yuǎn)目標(biāo)是與各項技術(shù)更好的結(jié)合，滿足日益增長的用戶對頻譜的需求，目前，認(rèn)知無線電技術(shù)炙手可熱，應(yīng)用前景一片大好。綜上可知，認(rèn)知無線電技術(shù)使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)頻譜空穴并合理利用空穴的能力，可以實現(xiàn)高效靈活的頻譜資源配置和工作狀態(tài)調(diào)整。認(rèn)知無線電