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認(rèn)知無線電提高“頻譜效率”
 
近年來，隨著各種無線設(shè)備的大量使用和寬帶無線電業(yè)務(wù)不斷應(yīng)用，對頻譜的需求越來越大，導(dǎo)致頻譜資源緊張的問題日益嚴(yán)重。根據(jù)我國的頻譜劃分圖，我 們可以看到無線頻譜資源幾乎已經(jīng)分配殆盡，可用頻譜可以說相當(dāng)缺乏，而這將嚴(yán)重阻礙無線通信服務(wù)的進一步發(fā)展。軟件無線電的廣泛應(yīng)用帶來了部分頻段的高效 利用，但是在另外一些頻段(比如電視頻段)頻譜資源卻在時間和空間上存在不同程度的閑置，給頻譜資源帶來了較大的浪費。
 
認(rèn)知無線電的提出
 
FCC的頻譜政策特別小組的調(diào)查與研究表明:任意一個給定時刻,人們所用到的頻譜只占可用頻譜資源的2%～6% 。也就是說大量昂貴的頻譜資源都處于閑置狀態(tài),而并沒有得到完全利用。1999年，Joseph Mitola博士提出了認(rèn)知無線電的概念，為利用空閑的頻譜資源提供了一種解決方案。他對于認(rèn)知無線電是這樣描述的：“無線數(shù)字設(shè)備和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)在無線電資 源和通信方面具有充分的計算智能來探測用戶通信需求，并根據(jù)這些需求來提供最適合的無線電資源和無線務(wù)。”
 
認(rèn)知無線電系統(tǒng)工作流程
 
認(rèn)知無線電定義系統(tǒng)可以對周圍的電磁環(huán)境進行掃描監(jiān)視，找出“頻譜空洞”,并根據(jù)“頻譜空洞”特征選取******通信頻率及參數(shù),最終建立起可靠的通信鏈路，在 鏈路建立后仍然繼續(xù)保持監(jiān)測，一旦有新的用戶接入則自動匹配其他信道。因此，在發(fā)射端，通過對周圍電磁環(huán)境的自主偵察、分析，獲得無線信道傳輸特性,檢測 周圍信號的頻譜分布情況,選擇******頻段或******信道并主動向接收方發(fā)送通信鏈路建立信號;接收端,對工作頻段內(nèi)的無線電頻譜進行全景搜索，自動截獲信號,并 對其進行分析識別，一旦信號格式匹配就立即建立起通信鏈路,實現(xiàn)通信。圖1是簡單的認(rèn)知無線電系統(tǒng)通信流程。
 
認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)
 
（1）準(zhǔn)確的頻譜感知技術(shù)
 
認(rèn)知用戶相對授權(quán)用戶具有更低的頻譜接入優(yōu)先權(quán)，而且不能對授權(quán)用戶造成干擾, 因此，認(rèn)知用戶必須實時地檢測出空閑頻譜及授權(quán)用戶的接入。頻譜感知技術(shù)是CR進行通信的基礎(chǔ)和前提，最重要的就是要進行頻譜檢測，即感知并分析特定區(qū)域 的頻段，利用某些特定的技術(shù)和處理，尋找合適的“頻譜空洞”，分析其時間分布特性、占用帶寬、噪聲電平等信號特征并反饋至發(fā)送端進行頻譜管理和功率控制， 以此確定通信載頻、通信體制、通信參數(shù)和發(fā)射電平。
 
（2）動態(tài)的頻譜資源管理技術(shù)
 
授權(quán)用戶可能隨時接入，因此“頻譜空洞”資源是不確定的，CR用戶一旦接收到授權(quán)用戶信號，必須立刻做出反應(yīng)。動態(tài)的頻譜管理可以提高無線通信的靈活性，使授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶之間避免沖突并公平共享頻譜。
 
（3）自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
 
數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對于認(rèn)知無線電實現(xiàn)利用空閑頻譜進行通信非常關(guān)鍵。認(rèn)知無線電可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍, 并且不連續(xù), 因此認(rèn)知無線電數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必需能夠適應(yīng)這一特性。在多載波傳輸技術(shù)中,采用OFDM技術(shù)******選擇，基本思想是將檢測出的“頻譜空洞”作為多個OFDM系 統(tǒng)的子載波傳輸數(shù)據(jù)。
 
（4）功率控制技術(shù)
 
采用認(rèn)知無線電技術(shù)的原則是必須保證對授權(quán)用戶不造成干擾，因此功率控制是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。功率控制的功能主要在發(fā)送端實現(xiàn)，接收端只需把 檢測到的信道特征反饋到發(fā)送端由發(fā)送端通過某些策略來實現(xiàn)功率控制。值得一提的是在多用戶的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，競爭現(xiàn)象會導(dǎo)致認(rèn)知用戶間的互相干擾，因 此，功率控制技術(shù)也是認(rèn)知無線電系統(tǒng)需要攻克的難題之一。
 
認(rèn)知無線電頻譜感知的實現(xiàn)
 
作為認(rèn)知用戶，必須實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測頻譜變化，以避免與授權(quán)用戶使用發(fā)生沖突，因此頻譜檢測是認(rèn)知無線電系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵點之一，頻譜檢測的精確性和準(zhǔn)確性 直接決定了是否會影響授權(quán)用戶的正常通信。目前，針對頻譜檢測的技術(shù)主要基于三種，物理層檢測、MAC層檢測、多用戶協(xié)作檢測。物理層檢測關(guān)注如何借助數(shù) 字信號處理增益實現(xiàn)高性能的檢測，分為在授權(quán)用戶的接收端檢測和發(fā)射端檢測。在授權(quán)用戶的接收端檢測復(fù)雜度相對高，檢測效率低，在授權(quán)用戶發(fā)送端的檢測主 要有匹配濾波器檢測法、能量檢測法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法。MAC層檢測則關(guān)注多信道條件下的檢測效率，通過對信道檢測次序和檢測周期優(yōu)化，使檢測到的可用 信道數(shù)最多，或使信道搜索時延最短。這兩種方法都是針對單個用戶進行檢測的，另外一種就是多用戶協(xié)作檢測，主要解決了單用戶檢測可靠性不高的問題，通過多 用戶分集對抗無線信道衰落，提高檢測可靠度。
 
1.物理層檢測
 
（1）接收端檢測
 
接收端檢測是認(rèn)知用戶通過檢測授權(quán)用戶接收端獲取授權(quán)用戶接收端的干擾信息，并利用該信息在滿足授權(quán)用戶干擾約束的前提下充分共享頻譜資源。主要有兩種方 法：一是基于干擾溫度的檢測，干擾溫度用來表征非授權(quán)用戶在共享頻段內(nèi)對授權(quán)用戶接收機產(chǎn)生的干擾功率與授權(quán)接收機處的系統(tǒng)噪聲功率之和，也就是單位帶寬 上的接收功率，該方法是借助授權(quán)用戶接收機的干擾溫度來量化和管理無線通信環(huán)境中的干擾源，認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾只要控制在干擾溫度門限以內(nèi)，就可以 與授權(quán)用戶同時使用該頻段。另一種是本振泄漏功率檢測。該檢測方式是一種借助射頻前端的本振泄漏功率檢測授權(quán)用戶接收機的方法，通過檢測接收機中本地振蕩 器在天線段功率的微弱泄漏來檢測接收機是否處于工作狀態(tài)，并將信息傳送給認(rèn)知用戶。在不需要授權(quán)用戶參與的情況下， 為了測量某個授權(quán)用戶接收端的干擾溫度或者本振泄露，需要在授權(quán)接收用戶附近安置相應(yīng)設(shè)備以實時監(jiān)測干擾溫度值。
 
（2）發(fā)送端檢測
 
與接收端檢測不同的是，發(fā)射端檢測是基于授權(quán)用戶的發(fā)射端進行檢測的,因此，授權(quán)用戶只有在工作時才能進行檢測。關(guān)于授權(quán)用戶發(fā)送端檢測的研究也比較多，主要有三種常用的檢測方法：匹配濾波器檢測法、能量檢測法和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法。
 
匹配濾波器檢測法是一種比較常用的信號檢測方法，當(dāng)認(rèn)知用戶獲得完備的授權(quán)用戶信號的先驗知識如調(diào)制類型和階數(shù)、脈沖波形和數(shù)據(jù)包格式時，匹配濾波器檢測 能使接收信噪比最大，在短時間內(nèi)完成同步提高信號的處理增益，是一種******檢測。但是它要求認(rèn)知用戶掌握每一類授權(quán)用戶的全部先驗信息，如果信息不準(zhǔn)確，檢 測性能將大受影響，并且它是一種相干檢測法，對相位同步要求非常高。該檢測法僅適用于授權(quán)用戶的信號特征確知的特定場景。
 
能量檢測法則無需獲知授權(quán)用戶信號的先驗知識，對接收信號的處理也比較簡單。其原理是信號在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，先進行傅立葉變換得到信號的頻譜，由于能量 檢測法的處理增益取決于FFT的點數(shù)N和觀察時間T，因此可增加FFT的點數(shù)N可以改進對窄帶信號的頻率分辨率，增加觀察時間T可以降低噪聲功率，提高信 噪比，得到信號的頻譜后，開始進行峰值檢測，檢測出峰值后，再對信號頻譜加窗，計算信號的能量，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的判決門限對信號能量進行判決。而這其中也 存在一些問題：一是噪聲的不確定性使檢測門限的設(shè)置比較困難，不合適的檢測門限會將比較微弱的授權(quán)用戶信號排除在外， 而將幅度較大的脈沖噪聲檢測為信號；二是無法區(qū)分調(diào)制信號、噪聲和干擾，由于頻譜使用的策略只適用于授權(quán)用戶，接收機無法識別噪聲和其他感知無線電接收機 的干擾，這時能量檢測的方法就無法檢測出信號，比如當(dāng)干擾來自其他認(rèn)知用戶時，能量檢測法很可能將這種干擾判定為授權(quán)用戶信號；三是無法檢測出擴頻信號， 如直接序列擴頻和跳頻擴頻信號。雖然能量檢測法存在這些問題，但該方法仍然是信號檢測領(lǐng)域中使用最為廣泛的一種方法，我們下面頻譜感知模塊的設(shè)計就是采用 這種方法。
 
循環(huán)平穩(wěn)特征檢測利用了調(diào)制信號在均值和自相關(guān)等統(tǒng)計參數(shù)方面具有循環(huán)平穩(wěn)的周期特性而噪聲不具備這一特性而區(qū)分信號和噪聲的，循環(huán)平穩(wěn)信號的統(tǒng)計參數(shù)包 括自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度和譜相關(guān)函數(shù)等。因此該方法可以提取出信號的載波頻率、符號速率和調(diào)制類型等典型特征。循環(huán)性平穩(wěn)特性檢測對抗噪聲環(huán)境的性能優(yōu) 于能量檢測，在低信噪比情況下，該方法較為實用，但由于譜相關(guān)算法所需數(shù)據(jù)樣本較長，計算量和復(fù)雜度較大，要實現(xiàn)高精度檢測往往需要較長的檢測時間，有時 不能很好的滿足系統(tǒng)快速準(zhǔn)確檢測頻譜的需求。
 
2.MAC 層檢測
 
物理層檢測技術(shù)關(guān)注的是檢測算法的靈敏度，而MAC層檢測則更多關(guān)注的是如何提高檢測效率。從檢測策略上來講，MAC 層檢測可分為被動檢測和主動檢測兩種。如果把頻譜資源被分為N條信道，在被動檢測模式下，認(rèn)知用戶只要檢測到其中一條空閑信道便一直占用該信道通信，在數(shù) 據(jù)傳輸期間不再檢測其他信道，直至授權(quán)用戶使用該信道時，才會進行重新檢測轉(zhuǎn)換，其優(yōu)點是不會引入不必要的檢測開銷，缺點是會漏掉某些較好的信道，而且一 旦授權(quán)用戶接入，又需重新檢測，增加了時延，QoS無法保證；在主動檢測模式下，認(rèn)知用戶在每條信道上均采用獨立的自適應(yīng)周期檢測，即使認(rèn)知用戶不需要通 信，也會進行例行檢測，并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，一旦認(rèn)知用戶需要傳輸數(shù)據(jù)或需要轉(zhuǎn)換信道時，系統(tǒng)會根據(jù)統(tǒng)計和概率情況立即建立信道，降低了時延，但是主動檢測 用于檢測的帶寬開銷和能量相對消耗較大。
 
3.多用戶協(xié)作檢測
 
基于物理層和MAC層的檢測都是針對單個授權(quán)用戶進行的檢測，在實際無線環(huán)境中，頻譜信號特征非常復(fù)雜，物理層接收端的檢測很難檢測到授權(quán)用戶的弱信號, 另外信號在傳輸過程會受到陰影衰落、多徑效應(yīng)等因素的影響，認(rèn)知用戶會因為接收到的授權(quán)用戶信號太微弱而誤判為授權(quán)用戶未使用，從而占用該信道而造成對授 權(quán)用戶的干擾。利用多用戶協(xié)作檢測，可以減少信道的隨機性和復(fù)雜性對結(jié)果的影響。在多用戶協(xié)作檢測中，每個認(rèn)知用戶分別將每塊區(qū)域檢測結(jié)果上傳到中心節(jié) 點，由中心節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)進行判決。判決規(guī)則一般分為硬判決、軟判決以及混合判決,硬判決和軟判決的區(qū)別主要體現(xiàn)在判決門限的選取上，硬判決依據(jù)單一 假設(shè)進行決策，軟判決在置信度測量基礎(chǔ)上，主要依據(jù)貝葉斯、奈曼-皮爾遜等準(zhǔn)則得到判決門限，混合判決機制就是硬判決與軟判決的結(jié)合。多用戶協(xié)作檢測的優(yōu) 點是可以有效對抗陰影和多徑衰落，提高檢測性能，缺點是增加了檢測技術(shù)的難度以及運算復(fù)雜度。
 
認(rèn)知無線電的應(yīng)用
 
首先，CR在WLAN系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)該算是比較早的,早在802.11a協(xié)議上,FCC就要求該系統(tǒng)能夠自適應(yīng)測雷達信號避免干擾,現(xiàn)在,基于 IEEE802.11b/g/n協(xié)議的WLAN系統(tǒng)工作在2.4GHz及5GHz等不需授權(quán)的頻段上,這個頻段可能受到包括藍牙設(shè)備、微波爐、無繩電話以 及其他一些微功率發(fā)射設(shè)備的干擾。CR可通過對頻譜的不間斷掃描識別出干擾信號，并結(jié)合其獨有的頻譜感知和資源分配技術(shù)，自適應(yīng)地選擇******的通信信道和調(diào) 整信道占用,進一步增強通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性,最大限度地提高傳輸速率。
 
其次，CR與UWB相結(jié)合的技術(shù)CUWB，被認(rèn)為是當(dāng)今多媒體寬帶無線通信中最有前途的候選方案之一，UWB信號的超帶寬不可避免地與現(xiàn)有的窄帶無線電業(yè) 務(wù)重疊，因此，UWB與認(rèn)知無線電技術(shù)的結(jié)合具有特殊意義。CUWB主要是利用CR能夠感知周圍的頻譜環(huán)境和UWB系統(tǒng)基于軟件無線電技術(shù)靈活多變的特 性，依據(jù)感知得到的頻譜信息和動態(tài)頻譜分配策略自適應(yīng)地構(gòu)建UWB系統(tǒng)的頻譜結(jié)構(gòu)，并生成相應(yīng)的脈沖波形，達到通信目的。
 
認(rèn)知無線電前景廣泛
 
在軟件無線電發(fā)展的基礎(chǔ)上，認(rèn)知無線電正朝著一種硬件平臺標(biāo)準(zhǔn)化和通用化方向發(fā)展，它將是無線電技術(shù)發(fā)展的下一個里程碑。對于頻譜管理者而言, 該技術(shù)可以大大提高頻譜利用率, 有效利用資源；對于頻譜使用者而言,可以使用較少的頻譜資源獲取最大的通信效果，并且不受干擾；對于設(shè)備生產(chǎn)廠商而言，CR技術(shù)可以為其帶來更多的空間和 機會；對于終端用戶而言,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，同時也可以使用更多帶寬得到更快的速率。
 
當(dāng)然, 認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展目前還存在一些障礙，一是標(biāo)準(zhǔn)化工作仍在研究中，二是頻譜管理政策沒有完全放開, 三是認(rèn)知無線電自身技術(shù)和靈活性還需要不斷提高，因此，認(rèn)知無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用還存在一定障礙; 雖然由于這些限制, 認(rèn)知無線電近幾年內(nèi)市場不會很大, 但相信在不久的將來認(rèn)知無線電將會取得突破性的進展, 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。銀行剛性防護