認(rèn)知無線電應(yīng)用思考

1、關(guān)于認(rèn)知無線電的應(yīng)用思考認(rèn)知無線電核心思想是CR具有學(xué)習(xí)能力，能與周圍環(huán)境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。CR有可能賦予無線電設(shè)備根據(jù)頻帶可用性、位置和過去的經(jīng)驗來自主確定采用哪個頻帶的功能。工程化得話，就是基于與操作環(huán)境的交互能動態(tài)改變其發(fā)射機參數(shù)的無線電，其具有環(huán)境感知和傳輸參數(shù)自我修改的功能。CR是一種新型無線電，它能夠在寬頻帶上可靠地感知頻譜環(huán)境，探測合法的授權(quán)用戶(主用戶)的出現(xiàn)，能自適應(yīng)地占用即時可用的本地頻譜，同時在整個通信過程中不給主用戶帶來有害干擾。過程：通過感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸

2、功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計變化，從而實現(xiàn)任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有限的無線頻譜資源進行高效地利用。認(rèn)知無線電的核心思想就是通過頻譜感知（Spectrum Sensing）和系統(tǒng)的智能學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和頻譜共享（Spectrum Sharing）。認(rèn)知無線電中，次級用戶動態(tài)的搜索頻譜空穴進行通信，這種技術(shù)稱為動態(tài)頻譜接入。在主用戶占用某個授權(quán)頻段時，次級用戶必須從該頻段退出，去搜索其它空閑頻段完成自己的通信。1.平臺結(jié)構(gòu)認(rèn)知無線電的物理平臺的實現(xiàn)是以軟件無

3、線電平臺為基礎(chǔ)的，其物理平臺結(jié)構(gòu)與軟件無線電平臺結(jié)構(gòu)基本相同，兩者之間的比較如圖39所示，它主要在軟件無線電平臺的基礎(chǔ)上增加了感知，學(xué)習(xí)等功能，以實現(xiàn)其獨特的認(rèn)知能力。其中，無論對于軟件無線電平臺還是認(rèn)知無線電平臺，軟件部分的硬件支撐都是通用硬件平臺。也就是說，從圖1可以看出，和軟件無線電類似，認(rèn)知無線電物理平臺也主要由射頻前端、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通用硬件平臺3個部分組成。圖1認(rèn)知無線電與軟件無線電物理平臺結(jié)構(gòu)的比較其中，為軟件提供硬件支撐的認(rèn)知無線電通用硬件平臺的組成和結(jié)構(gòu)與軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺基本類似，但除了常見通信系統(tǒng)所需的數(shù)字信號處理外，認(rèn)知無線電還需要完成頻譜感知、頻譜分析、頻譜

4、判決等認(rèn)知無線電特有的功能。而認(rèn)知無線電平臺中使用的A/D和D/A模塊的作用和性能指標(biāo)也與軟件無線電系統(tǒng)基本相同。A/D和D/A模塊一般集成在通用硬件平臺之中。另外，認(rèn)知無線電平臺射頻前端除了完成軟件無線電系統(tǒng)所需的不同頻段的寬帶射頻信號和中頻信號之間的轉(zhuǎn)換外，還需要協(xié)助甚至單獨完成寬帶頻譜感知等認(rèn)知無線電特有的功能。但就結(jié)構(gòu)而言，認(rèn)知無線電平臺的射頻模塊與軟件無線電平臺的射頻前端基本類似。關(guān)于認(rèn)知無線電的射頻前端技術(shù)將在下面重點介紹。相對軟件無線電系統(tǒng)而言，認(rèn)知無線電系統(tǒng)射頻模塊的特點就是，它需要協(xié)助系統(tǒng)甚至單獨完成寬帶頻譜感知功能。這個功能要求射頻模塊的射頻硬件具有很寬的工作頻帶范圍，從而

5、實現(xiàn)對頻譜信息實時的、大范圍的測量。和軟件無線電射頻模塊類似，認(rèn)知無線電射頻模塊的基本體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖2認(rèn)知無線電的寬帶射頻前端結(jié)構(gòu)從圖2中可以看出，和軟件無線電的射頻模塊類似，認(rèn)知無線電的射頻前端具有混頻、放大和自動增益控制等功能，實現(xiàn)大頻譜范圍內(nèi)的射頻信號與中頻信號之間的轉(zhuǎn)換，從而解決A/D的性能不滿足對射頻信號直接采樣的問題。其中，可編程帶通濾波器、低噪聲放大器、可編程本地振蕩器以及混頻器和自動增益控制等需要具有與軟件無線電平臺類似的性能參數(shù)。為了協(xié)助完成認(rèn)知無線電系統(tǒng)的認(rèn)知功能，對周圍無線電環(huán)境中的授權(quán)用戶進行檢測，認(rèn)知無線電系統(tǒng)的射頻模塊對某些部件的要求要高于軟件無線電系統(tǒng)，它

6、要求射頻前端具有在大動態(tài)范圍內(nèi)檢測一個或多個弱信號的能力，即接收機需要具有足夠的工作帶寬和靈敏度，使其能準(zhǔn)確地檢測不同頻帶不同功率電平的主信號。同時，考慮到頻譜感知一般由能量檢測、特征檢測等方法完成，如果射頻模塊需要單獨完成頻譜感知，它還需要具有信號處理功能。2.研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外認(rèn)知無線電技術(shù)的研究大都集中在物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的功能方面，如頻譜感知、功率控制、頻譜共享、頻譜移動性管理、認(rèn)知無線電的安全技術(shù)以及認(rèn)知無線電的跨層設(shè)計等技術(shù)。針對認(rèn)知無線電的發(fā)展，世界各國通信專家都密切關(guān)注，國內(nèi)外的大學(xué)和科研機構(gòu)也相續(xù)開展了認(rèn)知無線電技術(shù)的研究。其中主要的研究機構(gòu)有美國國防高級研究計劃署（

7、DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、維吉尼亞無線通信技術(shù)中心、英國移動電信技術(shù)虛擬中心多模終端研究小組、布里斯托爾大學(xué)通信系統(tǒng)研究中心和歐洲通信協(xié)會等。此外，美國加州大學(xué)伯克利分校的無線研究中心、荷蘭的代爾夫特大學(xué)、德國柏林技術(shù)學(xué)院等也有關(guān)于認(rèn)知無線電方面的研究。近幾年，國內(nèi)研究機構(gòu)也開始關(guān)注和跟蹤該技術(shù)，并開展了相關(guān)的研究，這些研究機構(gòu)主要是清華大學(xué)、電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)及香港科技大學(xué)等高校。鑒于目前的認(rèn)知無線電的研究狀況，國家“863”計劃基金也在2005年首次支持了認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)的研究。3.認(rèn)知無線電的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知無線電技術(shù)被視

8、為解決當(dāng)前頻譜資源利用率低的有效方案。各標(biāo)準(zhǔn)化組織和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開對認(rèn)知無線電技術(shù)的研究，并著手制定認(rèn)知無線電的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以其推動認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。涉及認(rèn)知無線電標(biāo)準(zhǔn)化的機構(gòu)主要有美國電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）、國際電信聯(lián)盟（ITU）、軟件無線電論壇（SDRForum）和美國國防部高級研究計劃署（DARPA）等。IEEE涉及認(rèn)知無線電的標(biāo)準(zhǔn)最受關(guān)注的有兩個：IEEE802.22和IEEESCC41（或者稱為P1900）。其中，IEEE802.22是采用認(rèn)知無線電技術(shù)為基礎(chǔ)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEESCC41的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要涉及動態(tài)頻譜接入的相關(guān)技術(shù)。另外，我們認(rèn)為，共存問題、動

9、態(tài)頻譜選擇和功率控制、動態(tài)頻譜接入等技術(shù)都屬于認(rèn)知無線電的范疇。因此，除上述兩個標(biāo)準(zhǔn)之外，IEEE還有其他幾個標(biāo)準(zhǔn)也涉及認(rèn)知無線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。已經(jīng)完成的標(biāo)準(zhǔn)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。應(yīng)用10.1在WRAN中的應(yīng)用2003年12月，F(xiàn)CC在其規(guī)則的第15章公布了修正案。法律規(guī)定7“只要具備認(rèn)知無線電功能，即使

10、是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現(xiàn)有無線頻帶”，這為新的無線資源管理技術(shù)奠定了法律基礎(chǔ)。WRAN的目的就是使用認(rèn)知無線電技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶（北美為54862MHz）的頻率用作寬帶訪問線路，將空閑頻道有效地利用起來。IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)工作組于2005年9月完成了對WRAN的功能需求和信道模型文檔，2006年開始對各個公司提交的提案進行審議和合并，并于2006年3月形成了最終的合并提案作為編寫標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。認(rèn)知無線電10.2在UWB中的應(yīng)用UWB技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時主要應(yīng)用于脈沖雷達(dá)（ImpulseRadar），美國軍方利用其進行安全通信中的

11、精確定位和成像。至20世紀(jì)90年代之前，UWB主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，之后UWB技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域。UWB由于具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抵抗多徑能力強、功耗低、成本低等優(yōu)點，被認(rèn)為是下一代無線通信的革命性技術(shù)，而且是未來多媒體寬帶無線通信中最具潛力的技術(shù)。認(rèn)知無線電采用頻譜感知技術(shù)，能夠感知周圍頻譜環(huán)境的特性，通過動態(tài)頻譜感知來探測“頻譜空洞”，合理地、機會性地利用臨時可用的頻段，潛在地提高頻譜的利用率。與此同時，認(rèn)知無線電技術(shù)還支持根據(jù)感知結(jié)果動態(tài)地、自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的傳輸參數(shù)，以保證高優(yōu)先級的授權(quán)主用戶對頻段的優(yōu)先使用，改善頻譜共享，與其他系統(tǒng)更好地共存。認(rèn)知無線電10.3在WLAN中的

12、應(yīng)用以IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無線技術(shù)已經(jīng)成為目前WLAN技術(shù)的主流，通過接入無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)移動辦公已經(jīng)成為很多人生活方式的一部分。隨著無線局域網(wǎng)的普及，頻譜資源越來越緊張，某些工作頻段的通信業(yè)務(wù)近乎達(dá)到飽和狀態(tài)，無法滿足新的業(yè)務(wù)請求；同時，某些其他頻段比較空閑，能夠提供更多的可用信道。在這樣的背景下，認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為解決以上問題帶來了新的思路。認(rèn)知無線電技術(shù)能通過不斷掃描頻譜段，獲得這些可用信道的信道環(huán)境和質(zhì)量的認(rèn)知信息，自適應(yīng)地接入較好的通信信道，這正是解決WLAN頻段擁擠問題的方法。因此認(rèn)知無線電技術(shù)對于WLAN而言更具有吸引力。而且無線局域網(wǎng)具有工作區(qū)域小、工作地點靈

13、活、無線環(huán)境相對簡單等特點，更有利于認(rèn)知無線電技術(shù)的實現(xiàn)。認(rèn)知無線電10.4在Mesh網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是近幾年出現(xiàn)的具有一種無線多跳（Multi-hop）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點可以和一個或者多個對等節(jié)點直接通信；同時也能模擬路由器的功能，從鄰近節(jié)點接收消息并進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，Mesh網(wǎng)絡(luò)通過鄰近節(jié)點之間的低功率傳輸取代了遠(yuǎn)距離節(jié)點間的大功率傳輸，實現(xiàn)了低成本的隨時隨地接入。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點之間是相互協(xié)作的，如果Mesh網(wǎng)絡(luò)中的一條鏈路失效了，網(wǎng)絡(luò)可以通過替代鏈路將信息路由到目的地，優(yōu)化了頻譜的使用。認(rèn)知無線電和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，正是在增大網(wǎng)絡(luò)密度和提高服務(wù)吞吐量

14、的發(fā)展趨勢下提出來的，適用于可能有嚴(yán)重的線路爭用情況的人口稠密城市的無線寬帶接入。認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)通過中繼方式可以有效地擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，當(dāng)一個無線Mesh網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)是由認(rèn)知接入點和固定中繼點組成時，無線Mesh網(wǎng)的覆蓋范圍能夠大大增加。尤其是在受限于視距傳輸?shù)奈⒉l段，認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)將有利于在微波頻段實現(xiàn)頻譜的開放接入。認(rèn)知無線電10.5在Ad-hoc中的應(yīng)用一般的多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時會預(yù)先確定通信路由。認(rèn)知無線電技術(shù)能夠?qū)崟r地收集信息并且自動選擇波形，并向各方通知尚未使用的頻率信息，適用于具有不可提前預(yù)測的頻譜使用模式的應(yīng)用場景。因此，當(dāng)認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用于低功耗多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足分布式認(rèn)知用戶之間的通信需求。由于認(rèn)知無線電系統(tǒng)可根據(jù)周圍環(huán)境的變化動態(tài)地進行頻率的選擇，而頻率的改變通常需要路由協(xié)議等進行相應(yīng)調(diào)整，因此，基于認(rèn)知無線電技術(shù)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)需要新的支持分布式頻率共享的MAC協(xié)議和路由協(xié)議。4.存在問題：1.當(dāng)前，裝備上通信頻段使用比較窄，是否適用；在頻譜政策管理部門的帶動下，一些標(biāo)準(zhǔn)化組織采用了CR技術(shù)，并先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以推動該技術(shù)在多種應(yīng)用場景下的發(fā)展。例如，IEEE802.22工作組對基于CR的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WLAN