認知無線電技術介紹樣本

認知網絡課程學習報告題目：認知無線電技術簡介

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1、認知無線電簡介 ………………………….-1-1.1技術產生背景 -1-1.2基本理念和平臺構造 -1-1.3認知無線電發(fā)展及研究現狀 -3-2、認知網絡核心技術 -4-2.1頻譜檢測技術 -4-2.2自適應頻譜資源分派技術 -5-2.3認知無線電下頻譜管理 -5-3、認知無線電原則化 -6-4、認知無線電應用場景 -7-5、結語 -9-參照文獻 -10-

摘要認知無線電是一種可以感知外界通信環(huán)境智能通信技術，它可以通過對外部環(huán)境理解與學習，實時調節(jié)通信網絡內部配備，智能地適應外部環(huán)境變化。認知無線電展示了管理復雜網絡新方向，它試圖將人工智有關技術引入到網絡中，使網絡具備自管理、自學習、自優(yōu)化能力，從而真正實現網絡可控制、可管理、可信任。同步，它更加注重應用端到端目的，能明顯改進網絡QoS和顧客業(yè)務體驗。文章從認知無線電基本概念出發(fā)，闡述了認知無線電基本特性和系統平臺構造、發(fā)展及研究現狀，涉及涉及某些核心技術以及應用領域有關簡介。核心詞：認知無線電；基本特性；核心技術；應用

AbstractAsanintelligentcommunicationsystem，Cognitiveradioispossibletoperceivetheexternalenvironment，throughwhichitlearnsfromtheenvironmentthenimplementstheadjustmentofinternalcommunicationnetworkconfigurationandintelligentlyadaptstothechangesintheexternalenvironment.Cognitiveradioshowsthenewdirectionofmanagingthecomplexnetworks，itattemptstofuserelevanttechnologiesofartificialintelligenceintothenetwork，formingabrandnewnetworkofself-management，self-learning，self-optimizing，whichcanrealizethereliabilityofnetworkcontrol，managementandtrust.Atthesametime，itfocusontheapplicationbetweengoals，whichiscapableofsignificantlyimprovingnetworkQoSanduserserviceexperience.Fromthebasicconceptsofcognitivenetwork，weexpoundedthebasiccharacteristicsofthecognitiveradio，systemimplementationframework，historyanddevelopmentofinvolvingresearchinthispaper，includingseveralkeytechnologiesandapplications.Keywords：cognitiveradio；basiccharacteristics；keytechnology；Application1、認知無線電簡介1.1技術產生背景及意義隨著無線通信技術飛速發(fā)展，人們可以獲得帶寬不斷增長。以移動通信為例，傳播速率從最早局限性10kbit/s提高到當前第四代移動通信技術可以提供100Mbit/s數據速率，但雖然如此，依然無法滿足人們對于帶寬日益增長需求。一方面，人們不斷開發(fā)新無線通信技術，運用新頻段來提供各種業(yè)務；此外一方面，各種改進調制和編碼技術也使得既有頻譜運用效率得以提高。然而，頻譜資源終歸是有限，并且變得越來越緊張。特別是隨著無線局域網(WLAN)技術、無線個人域網絡(WPAN)技術發(fā)展，越來越多人通過這些技術以無線方式接入互聯網。這些網絡技術大多使用非授權頻段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN無線通信業(yè)務迅猛發(fā)展，這些網絡所工作非授權頻段已經漸趨飽和。而此外某些通信業(yè)務(如電視廣播業(yè)務等)需要通信網絡提供一定保護，使她們免受其她通信業(yè)務干擾。為了提供良好保護，頻率管理部門專門分派了特定授權頻段(LFB)以供特定通信業(yè)務使用。與授權頻段相比，非授權頻段頻譜資源要少諸多。而相稱數量授權頻譜資源運用率卻非常低。于是就浮現了這樣事實：某些某些頻譜資源相對較少但其上承載業(yè)務量很大，而此外某些已授權頻譜資源運用率卻很低。因而，可以得出這樣結論：基于當前頻譜資源分派辦法，有相稱一某些頻譜資源運用率是很低。

認知無線電（CR，Cognitive

Radio）技術可以說為以上問題提供理解決方向。1999年，JosephMitola在她學術論文中一方面提出了認知無線電概念，在12月一則告示中，FCC對認知無線電作出如下定義：認知無線電是可以與所處通信環(huán)境進行交互并依照交互成果變化自身傳播參數無線電。認知無線電核心思想就是使無線通信設備具備發(fā)現“頻譜空洞”并合理運用能力。認知無線電技術興起和發(fā)展為解決無線頻譜資源緊缺問題提供了全新途徑。它通過容許認知顧客自適應地感知授權頻段在時間和空間上頻譜空穴，機會式地運用空穴進行信號傳播，達到提高頻譜運用率目。CR還使得無線通信系統可不經授權地使用傳播特性更好、帶寬更寬頻段，有助于平衡通信成本和性能；同步，寬帶無線通信系統普通所具備大動態(tài)范疇業(yè)務流量特性，正適合于在較寬動態(tài)可用頻段內進行機會式傳播。因而，引入認知機制不但是提高將來無線通信系統頻譜運用問題有效途徑，也是技術和應用上迫切需求。1.2基本理念和平臺構造認知無線電基本出發(fā)點就是：為了提高頻譜運用率，具備認知功能無線通信設備可以按照某種“伺機(OpportunisticWay)”方式工作在已授權頻段內。固然，這一定要建立在已授權頻段沒用或只有很少通信業(yè)務在活動狀況下。這種在空域、時域和頻域中浮現可以被運用頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。當非授權通信顧客通過“借用”方式使用已授權頻譜資源時，必要保證她通信不會影響到其她已授權顧客通信。要做到這一點，非授權顧客必要按照一定規(guī)則來使用所發(fā)現“頻譜空洞”，如圖1.1所示。在認知無線電中，這樣規(guī)則是以某種機器可理解形式(如XML語言)加載到通信終端上。由于這些規(guī)則可以隨時依照頻譜運用狀況、通信業(yè)務負荷與分布等進行不斷調節(jié)，因而通過這些規(guī)則，頻譜管理者就能以更為靈活方式來管理寶貴頻譜資源。圖1.1“頻譜空穴”示意圖認知無線電物理平臺實現是以軟件無線電平臺為基本，其物理平臺構造與軟件無線電平臺構造基本相似，兩者之間比較如圖1.2所示，它重要在軟件無線電平臺基本上增長了感知，學習等功能，以實現其獨特認知能力。圖1.2認知無線電與軟件無線電物理平臺構造比較其中，無論對于軟件無線電平臺還是認知無線電平臺，軟件某些硬件支撐都是通用硬件平臺。也就是說，從圖1.2可以看出，和軟件無線電類似，認知無線電物理平臺也重要由射頻前端、數模模數轉換器以及通用硬件平臺3個某些構成，為軟件提供硬件支撐認知無線電通用硬件平臺構成和構造與軟件無線電系統硬件平臺基本類似，但除了常用通信系統所需數字信號解決外，認知無線電還需要完畢頻譜感知、頻譜分析、頻譜判決等認知無線電特有功能。相對軟件無線電系統而言，認知無線電系統射頻模塊特點就是，它需要協助系統甚至單獨完畢寬帶頻譜感知功能。這個功能規(guī)定射頻模塊射頻硬件具備很寬工作頻帶范疇，從而實現對頻譜信息實時、大范疇測量。1.3認知無線電發(fā)展及研究現狀認知無線電(CognitiveRadio，CR)概念來源于1999年JosephMitola博士奠基性工作，其核心思想是CR具備學習能力，能與周邊環(huán)境交互信息，以感知和運用在該空間可用頻譜，并限制和減少沖突發(fā)生。隨著許多CR有關研究展開，并在單純通過既有傳播技術無法有效解決頻譜運用效率偏低狀況下，各種新思路應運而生，其核心都是如何有效地實現頻譜重用。該領域存在著如下兩個基本研究方向：一種研究方向是減少信號功率譜密度來進行頻譜復用，其典型應用就是超寬帶（UWB，UltraWideband）技術。另一種研究方向就是采用一種新頻譜管理技術，以達到充分運用頻譜目。這種思路基本出發(fā)點就是：在不影響授權頻段正常通信基本上，具備一定感知能力無線通信設備可以按照某種機會方式來接入授權頻段內，并動態(tài)地運用其頻譜。當前，國內外認知無線電技術研究大都集中在物理層、MAC層、網絡層功能方面，如頻譜感知、功率控制、頻譜共享、頻譜移動性管理、認知無線電安全技術以及認知無線電跨層設計等技術。針對認知無線電發(fā)展，世界各國通信專家都密切關注，國內外大學和科研機構也相續(xù)開展了認知無線電技術研究。其中重要研究機構有美國國防高檔研究籌劃署（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研究中心和歐洲通信協會等。此外，美國加州大學伯克利分校無線研究中心、荷蘭代爾夫特大學、德國柏林技術學院等也關于于認知無線電方面研究。國內研究機構開展了有關研究，這些研究機構重要是清華大學、電子科技大學、西安交通大學及香港科技大學等高校。鑒于當前認知無線電研究狀況，國家“863”籌劃基金也在初次支持了認知無線電核心技術研究。2、認知網絡核心技術2.1頻譜檢測技術認知無線電技術可以感知并分析特定區(qū)域頻段，找出適合通信“頻譜空洞”，運用某些特定技術和解決，在不影響已有通信系統前提下進行工作。如圖2.1中所示。因而，為了在某個地區(qū)上應用認知無線電技術，最先進行工作是對該地無線信道環(huán)境感知，即頻譜檢測和“空洞”搜尋與鑒定。如果將待查頻段分為3種不同狀況：黑空，存在高功率干擾；灰空，存在低功率干擾；白空：僅存在環(huán)境噪聲量，涉及熱噪聲、瞬時反射、脈沖噪聲等。那么頻譜檢測任務就是查找適合認知無線電業(yè)務白空，同步對工作頻段在黑空(或灰空)和白空之間轉變進行監(jiān)測。圖2.1頻譜檢測過程在認知無線電技術中，進行頻譜檢測即對所觀測頻段進行干擾溫度預計。干擾溫度可以看作是頻段內干擾功率譜密度，它設定是用來量化和管理無線環(huán)境中干擾問題。針對通過譜預計得到干擾溫度，可以給出干擾溫度界限。認知無線電領域進行干擾溫度預計時，為了可以更好地感知待測區(qū)域內干擾溫度，在頻譜分析算法中引入了空間概念，普通會用大量傳感器分布在該區(qū)域內，進行無線信號接受。這些傳感器可以是指專門設立接受天線，也可以是認知無線電系統各個無線顧客終端。通過這些傳感器進行無線環(huán)境探測，可以區(qū)別無線信號在空間上不同和差別。針對來自各種傳感器測量得到多組接受信號，通過恰當頻譜分析算法，即可得到相應于特定空間、時間和頻段干擾溫度預計值。將該干擾溫度預計量和設定干擾溫度門限比較，若在持續(xù)幾種時段內均不大于門限規(guī)定，即可以為浮現了“頻譜空洞”。2.2自適應頻譜資源分派技術由于正交頻分復用(OFDM)系統是當前公認比較容易實現頻譜資源控制傳播方式，該調制方式可以通過頻率組合或裁剪實現頻譜資源充分運用，可以靈活控制和分派頻譜、時間、功率、空間等資源，自適應頻譜資源分派核心技術重要有：載波分派技術、子載波功率控制技術、復合自適應傳播技術。(1)載波分派技術認知無線電具備感知無線環(huán)境能力。通過對干擾溫度測量，可以擬定“頻譜空洞”。子載波分派就是依照顧客業(yè)務和服務質量規(guī)定，分派一定數量頻率資源。檢測到“空洞”資源是不擬定，帶有一定隨機性。OFDM系統具備裁剪功能，通過子載波(子帶)分派，將某些不規(guī)律和不持續(xù)頻譜資源進行整合，按照一定公平原則將頻譜資源分派給不同顧客，實現資源合理分派和運用。(2)子載波功率控制技術認知無線電中運用已授權頻譜資源前提是不影響授權顧客正常通信。為此，非授權顧客必要控制其發(fā)射功率，避免給其她授權顧客導致干擾。功率控制算法在典型“注水”算法基本上，有一系列派生算法。這些算法追求是功率控制完備性和收斂性，既要不導致干擾又要使認知無線電有較好通過率，且達到實時性規(guī)定。事實上功率控制算法和子載波分派算法是密不可分。這是由于在判斷某子載波與否可以使用時，就要對其歷史(授權狀況)和現狀(空間距離、衰落)做出判斷，同步還需要計算出可分派功率大小。(3)復合自適應傳播技術該技術將OFDM和認知無線電思想以及一系列自適應傳播技術結合，從而達到無線電資源合理分派和充分運用。為了謀求保證服務質量和最大通過率下最佳工作狀態(tài)，需綜合應用動態(tài)子載波分派技術、自適應子載波功率分派技術、自適應調制解調技術以及自適應編碼技術等一系列自適應技術，形成優(yōu)化自適應算法。依照子載波干擾溫度，通過自適應地調節(jié)通信終端工作參數，從而達到最佳工作狀態(tài)。設計合理自適應傳播技術可以大幅提高頻譜資源運用率和通信性能。2.3認知無線電下頻譜管理具備認知無線電功能無線顧客在非授權狀況下使用頻率，必將引起無線電管理部門注意，并且必然會力求將這種對頻率使用納入其管理之下。從提高頻譜運用效率角度出發(fā)，不應當壓制基于認知功能非授權頻譜使用。好解決辦法是變化頻譜管理思想和頻譜管理規(guī)則，使其適應顧客需求和技術發(fā)展。有研究者提出對頻譜劃分新設想：依照頻譜應用狀況以及干擾影響，對頻譜劃分3個級別：嚴格分派管理(不可干擾)、在一定限度上可供非授權使用(可有一定干擾)、無限制非授權使用。在現階段，絕大多數頻譜為第一級別，即按照嚴格分派來進行管理，因而頻譜運用率較低。新頻譜管理思想和規(guī)則應當使第一級別頻譜所占范疇縮小，第二和第三級別頻譜所占范疇擴大，以此來提高頻譜運用率。這樣將頻譜分為3某些，第一某些非授權顧客不可占用，第二某些可恰當占用，第三某些可以不受限制占用。第二和第三某些是認知無線電可運用頻譜。當前各種基于認知無線電頻譜管理思想和管理規(guī)則仍在研究之中。3、認知無線電原則化認知無線電技術被視為解決當前頻譜資源運用率低有效方案。各原則化組織和行業(yè)聯盟紛紛展開對認知無線電技術研究，并著手制定認知無線電原則和合同，以其推動認知無線電技術發(fā)展和應用。涉及認知無線電原則化機構重要有美國電氣電子工程師協會（IEEE）、國際電信聯盟（ITU）、軟件無線電論壇（SDRForum）和美國國防部高檔研究籌劃署（DARPA）等。表1中所示為近幾年IEEE原則組織中認知無線電有關原則。表1.認知無線電有關技術原則化進程IEEE涉及認知無線電原則最受關注有兩個：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本空中接口原則，IEEESCC41原則化工作重要涉及動態(tài)頻譜接入有關技術。此外，咱們以為，共存問題、動態(tài)頻譜選取和功率控制、動態(tài)頻譜接入等技術都屬于認知無線電范疇。因而，除上述兩個原則之外，IEEE尚有其她幾種原則也涉及認知無線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。已經完畢原則化有：（1）IEEE802.16.2-，（2）IEEE802.16a-，（3）IEEE802.16.2-，（4）IEEE802.15.2-，（5）IEEE802.15.4-，（6）IEEE802.11h-。4、認知無線電應用場景（1）在WRAN中應用12月，FCC在其規(guī)則第15章發(fā)布了修正案。法律規(guī)定“只要具備認知無線電功能，雖然是其用途未獲允許無線終端，也能使用需要無線允許既有無線頻帶”，這為新無線資源管理技術奠定了法律基本。WRAN目就是使用認知無線電技術將分派給電視廣播VHF/UHF頻帶（北美為54~862MHz）頻率用作寬帶訪問線路，將空閑頻道有效地運用起來。IEEE802.22原則工作組于9月完畢了對WRAN功能需求和信道模型文檔，開始對各個公司提交提案進行審議和合并，并于3月形成了最后合并提案作為編寫原則基本。（2）在UWB中應用UWB技術產生于20世紀60年代，當時重要應用于脈沖雷達（ImpulseRadar），美國軍方運用其進行安全通信中精準定位和成像。至20世紀90年代之前，UWB重要應用于軍事領域，之后UWB技術開始應用于民用領域。UWB由于具備傳播速率高、系統容量大、抵抗多徑能力強、功耗低、成本低等長處，被以為是下一代無線通信革命性技術，并且是將來多媒體寬帶無線通信中最具潛力技術。認知無線電采用頻譜感知技術，可以感知周邊頻譜環(huán)境特性，通過動態(tài)頻譜感知來探測“頻譜空洞”，合理地、機會性地運用暫時可用頻段，潛在地提高頻譜運用率。與此同步，認知無線電技術還支持依照感知成果動態(tài)地、自適應地變化系統傳播參數，以保證高優(yōu)先級授權主顧客對頻段優(yōu)先使用，改進頻譜共享，與其她系統更好地共存。（3）在Ad-hoc中應用普通多跳Ad-hoc網絡在發(fā)送數據包時會預先擬定通信路由。認知無線電技術可以實時地收集信息并且自動選取波形，并向各方告知尚未使用頻率信息，合用于具備不可提前預測頻譜使用模式應用場景。因而，當認知無線電技術應用于低功耗多跳Ad-hoc網絡，可以滿足分布式認知顧客之間通信需求。由于認知無線電系統可依照周邊環(huán)境變化動態(tài)地進行頻率選取，而頻率變化普通需要路由合同等進行相應調節(jié)，因而，基于認知無線電技術Ad-hoc網絡需要新支持分布式頻率共享MAC合同和路由合同。圖4.1基于ad-hoc組網方式（4）在WLAN中應用以IEEE802.11原則為基本無線技術已經成為當前WLAN技術主流，通過接入無線網絡實現移動辦公已經成為諸多人生活方式一某些。隨著無線局域網普及，頻譜資源越來越緊張，某些工作頻段通信業(yè)務近乎達到飽和狀態(tài)，無法滿足新業(yè)務祈求；同步，某些其她頻段比較空閑，可以提供更多可用信道。在這樣背景下，認知無線電技術浮現和發(fā)展為解決以上問題帶來了新思路。認知無線電技術能通過不斷掃描頻譜段，獲得這些可用信道信道環(huán)境和質量認知信息，自適應地接入較好通信信道，這正是解決WLAN頻段擁擠問題辦法。因而認知無線電技術對于WLAN而言更具備吸引力。并且無線局域網具備工作區(qū)域小、工作地點靈活、無線環(huán)境相對簡樸等特點，更有助于認知無線電技術實現。（5）在Mesh網絡中應用無線Mesh網絡是近幾年浮現具備一種無線多跳（Multi-hop）網絡構造。在Mesh網絡中，每個節(jié)點可以和一種或者各種對等節(jié)點直接通信；同步也能模仿路由器功能，從