認知無線電應用思考

1、關于認知無線電的應用思考認知無線電核心思想是CR具有學習能力，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備根據(jù)頻帶可用性、位置和過去的經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，探測合法的授權用戶(主用戶)的出現(xiàn)，能自適應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從環(huán)境中學習，有目的地實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸

2、功率、載波頻率和調制技術等)，使其內部狀態(tài)適應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網絡環(huán)境有限的無線頻譜資源進行高效地利用。認知無線電的核心思想就是通過頻譜感知（Spectrum Sensing）和系統(tǒng)的智能學習能力，實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和頻譜共享（Spectrum Sharing）。認知無線電中，次級用戶動態(tài)的搜索頻譜空穴進行通信，這種技術稱為動態(tài)頻譜接入。在主用戶占用某個授權頻段時，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.平臺結構認知無線電的物理平臺的實現(xiàn)是以軟件無

3、線電平臺為基礎的，其物理平臺結構與軟件無線電平臺結構基本相同，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上增加了感知，學習等功能，以實現(xiàn)其獨特的認知能力。其中，無論對于軟件無線電平臺還是認知無線電平臺，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，認知無線電物理平臺也主要由射頻前端、數(shù)模模數(shù)轉換器以及通用硬件平臺3個部分組成。圖1認知無線電與軟件無線電物理平臺結構的比較其中，為軟件提供硬件支撐的認知無線電通用硬件平臺的組成和結構與軟件無線電系統(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，認知無線電還需要完成頻譜感知、頻譜分析、頻譜

4、判決等認知無線電特有的功能。而認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換外，還需要協(xié)助甚至單獨完成寬帶頻譜感知等認知無線電特有的功能。但就結構而言，認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。關于認知無線電的射頻前端技術將在下面重點介紹。相對軟件無線電系統(tǒng)而言，認知無線電系統(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，認知無線電射頻模塊的基本體系結構如圖4所示。圖2認知無線電的寬帶射頻前端結構從圖2中可以看出，和軟件無線電的射頻模塊類似，認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)大頻譜范圍內的射頻信號與中頻信號之間的轉換，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)助完成認知無線電系統(tǒng)的認知功能，對周圍無線電環(huán)境中的授權用戶進行檢測，認知無線電系統(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，國內外認知無線電技術的研究大都集中在物理層、MAC層、網絡層的功能方面，如頻譜感知、功率控制、頻譜共享、頻譜移動性管理、認知無線電的安全技術以及認知無線電的跨層設計等技術。針對認知無線電的發(fā)展，世界各國通信專家都密切關注，國內外的大學和科研機構也相續(xù)開展了認知無線電技術的研究。其中主要的研究機構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中心、英國移動電信技術虛擬中心多模終端研究小組、布里斯托爾大學通信系統(tǒng)研究中心和歐洲通信協(xié)會等。此外，美國加州大學伯克利分校的無線研究中心、荷蘭的代爾夫特大學、德國柏林技術學院等也有關于認知無線電方面的研究。近幾年，國內研究機構也開始關注和跟蹤該技術，并開展了相關的研究，這些研究機構主要是清華大學、電子科技大學、西安交通大學及香港科技大學等高校。鑒于目前的認知無線電的研究狀況，國家“863”計劃基金也在2005年首次支持了認知無線電關鍵技術的研究。3.認知無線電的標準認知無線電技術被視

8、為解決當前頻譜資源利用率低的有效方案。各標準化組織和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開對認知無線電技術的研究，并著手制定認知無線電的標準和協(xié)議，以其推動認知無線電技術的發(fā)展和應用。涉及認知無線電標準化的機構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涉及認知無線電的標準最受關注的有兩個：IEEE802.22和IEEESCC41（或者稱為P1900）。其中，IEEE802.22是采用認知無線電技術為基礎的空中接口標準，IEEESCC41的標準化工作主要涉及動態(tài)頻譜接入的相關技術。另外，我們認為，共存問題、動

9、態(tài)頻譜選擇和功率控制、動態(tài)頻譜接入等技術都屬于認知無線電的范疇。因此，除上述兩個標準之外，IEEE還有其他幾個標準也涉及認知無線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。已經完成的標準化有：（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。應用10.1在WRAN中的應用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奠定了法律基礎。WRAN的目的就是使用認知無線電技術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標準工作組于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準的基礎。認知無線電10.2在UWB中的應用UWB技術產生于20世紀60年代，當時主要應用于脈沖雷達（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90年代之前，UWB主要應用于軍事領域，之后UWB技術開始應用于民用領域。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，被認為是下一代無線通信的革命性技術，而且是未來多媒體寬帶無線通信中最具潛力的技術。認知無線電采用頻譜感知技術，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，認知無線電技術還支持根據(jù)感知結果動態(tài)地、自適應地改變系統(tǒng)的傳輸參數(shù)，以保證高優(yōu)先級的授權主用戶對頻段的優(yōu)先使用，改善頻譜共享，與其他系統(tǒng)更好地共存。認知無線電10.3在WLAN中的

12、應用以IEEE802.11標準為基礎的無線技術已經成為目前WLAN技術的主流，通過接入無線網絡實現(xiàn)移動辦公已經成為很多人生活方式的一部分。隨著無線局域網的普及，頻譜資源越來越緊張，某些工作頻段的通信業(yè)務近乎達到飽和狀態(tài)，無法滿足新的業(yè)務請求；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，認知無線電技術的出現(xiàn)和發(fā)展為解決以上問題帶來了新的思路。認知無線電技術能通過不斷掃描頻譜段，獲得這些可用信道的信道環(huán)境和質量的認知信息，自適應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。因此認知無線電技術對于WLAN而言更具有吸引力。而且無線局域網具有工作區(qū)域小、工作地點靈

13、活、無線環(huán)境相對簡單等特點，更有利于認知無線電技術的實現(xiàn)。認知無線電10.4在Mesh網絡中的應用無線Mesh網絡是近幾年出現(xiàn)的具有一種無線多跳（Multi-hop）的網絡結構。在Mesh網絡中，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發(fā)。這樣，Mesh網絡通過鄰近節(jié)點之間的低功率傳輸取代了遠距離節(jié)點間的大功率傳輸，實現(xiàn)了低成本的隨時隨地接入。網絡中所有節(jié)點之間是相互協(xié)作的，如果Mesh網絡中的一條鏈路失效了，網絡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。認知無線電和無線Mesh網絡結合，正是在增大網絡密度和提高服務吞吐量

14、的發(fā)展趨勢下提出來的，適用于可能有嚴重的線路爭用情況的人口稠密城市的無線寬帶接入。認知Mesh網絡通過中繼方式可以有效地擴展網絡覆蓋范圍，當一個無線Mesh網的骨干網絡是由認知接入點和固定中繼點組成時，無線Mesh網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，認知Mesh網絡將有利于在微波頻段實現(xiàn)頻譜的開放接入。認知無線電10.5在Ad-hoc中的應用一般的多跳Ad-hoc網絡在發(fā)送數(shù)據(jù)包時會預先確定通信路由。認知無線電技術能夠實時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測的頻譜使用模式的應用場景。因此，當認知無線電技術應用于低功耗多跳Ad-hoc網絡，能夠滿足分布式認知用戶之間的通信需求。由于認知無線電系統(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)議等進行相應調整，因此，基于認知無線電技術的Ad-hoc網絡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，一些標準化組織采用了CR技術，并先后制定了一系列標準以推動該技術在多種應用場景下的發(fā)展。例如，IEEE802.22工作組對基于CR的無線區(qū)域網絡WLAN