认知无线电的原理、技术与发展趋势
关键字：认知无线电 CR SDR 摘要：认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。当前，认知无线电技术从理论到实践都面临很多困难。文章简述了认知无线电的基本原理，对认知无线电涉及的射频、频谱感知和数据传输等物理层核心关键技术进行了总结分析，并结合当前的发展状况对该技术未来的发展趋势进行了预测。 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 这一思想在2003年美国联邦通信委员会(FCC)的《关于修改频谱分配规则的征求意见通知》中得到了充分体现，该通知明确提出 采用CR技术作为提高频谱利用率的技术手段。此后，CR技术受到了产业界和学术界的广泛关注，成为了无线通信研究和市场发展的新热点。然而，CR技术从理论到大规模实际应用，还面临很多挑战。这些挑战包括了技术、政策和市场等诸多方面。本文从技术的角度，总结分析CR的基本原理、关键技术，并对将来技术发展趋势进行预测。 1 认知无线电基本原理 1.1 认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义[1-3]，其中比较有代表性的包括FCC 和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”[4]。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。” 总结上述定义，CR应该具备以下2个主要特征： (1) 认知能力 认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。这一任务通常采用图1所示的认知环进行表示，包括3个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。 (2) 重构能力 重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程，从而允许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。 重构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被LU使用，CR有2种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对LU的有害干扰。 1.2 认知无线电与软件无线电之间的关系 为了便于理解CR的基本原理，有必要将CR与软件无线电(SDR)进行区分。根据电子与电气工程师协会(IEEE)的定义，一个无线电设备可以称为SDR的基本前提是：部分或者全部基带或RF信号处理通过使用数字信号处理软件完成；这些软件可以在出厂后修改[5-11]。 因此，SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式；而CR是指无线系统能够感知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数。从这个意义上讲，CR是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。 2 认知无线电物理层关键技术 通用的CR收发机结构如图2所示，结合前文关于CR基本原理的讨论，可以发现，CR物理层的关键技术包括：宽带射频前端技术、频谱感知技术和数据传输技术。 2.1 宽带射频前端技术 为了提供宽带频谱感知能力，CR的射频前端必需能够调谐到大频谱范围内的任意频带。通用的宽带射频前端结构如图3所示，接收的信号通过放大、混频和A/D转换等步骤后送入基带处理，进行频谱感知或数据检测。其中，射频滤波器通过通带滤波选择所需要的频段的接收信号；低噪放大器(LNA)在放大所需信号的同时最小化噪声；锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)和混频器联合控制，将所需要的接收信号转换到基带或者中频处理；信道选择滤波器用于选择所需的信道并抑制邻道干扰；自动增益控制(AGC)维持很宽的动态范围内的输入信号经放大器的输出功率恒定。 针对CR应用，宽带射频前端面临的主要难题是射频前端需要在大的动态范围内检测弱信号。为此，需要采样速率高达几吉赫兹的高速A/D转换器，并且要求超过12比特的高分辨率为了降低这一需求，可以考虑通过陷波滤波器滤出强信号，降低信号的动态范围；或采用智能天线技术，通过空域滤波来实现强信号滤出。 2.2 频谱感知技术 频谱感知技术是CR应用的基础和前提。现有的频谱感知技术可以按照图4进行分类。单节点感知是指单个CR节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性标识；而协同感知则是通过数据融合，基于多个节点的感知结果将进行综合判决。 单节点感知技术包括匹配滤波、能量检测和周期特性检测3种，其比较如表1所示。由于这些方法各有优缺点，实际应用时通常结合使用。 检测算法适用范围优点缺点匹配滤波CR节点知道授权用户信号的信息检测时间短需要先验信息能量检测CR节点不知道授权用户的信号信息实现简单，不需要先验信息受噪声不确定性影响，不能区别信号类型，检测时间长周期特性检测CR用户信号具有周期自相关特性可以区别噪声和信号类型计算复杂度高认知无线电要求频谱感知能够准确地检测出信噪比(SNR)大于某一门限值的授权用户信号，通常这个SNR的门限值是很低的，对于单节点感知来说，要达到这个要求并不容易。 为此，人们提出协同频谱感知，通过检测节点间的协作达到系统要求的检测门限，从而降低对单个检测节点的要求，降低单个节点的负担。协同频谱感知的另一个优点是可以有效的消除阴影效应的影响。协同感知可以采用集中或者分布式的方式进行。集中式协同感知是指各个感知节点将本地感知结果送到基站（BS）或接入点（AP）统一进行数据融合，做出决策；分布式协同感知则是指个节点间相互交换感知信息，各个节点独自决策。影响协同频谱感知的关键因素除了参与协同的单节点的感知性能外，还包括网络拓扑结构和数据融合方法；另外，在协同频谱感知中，不同感知节点的相关性和单个节点的不可靠性也会对频谱感知的性能产生重要影响。 随着FCC引入干扰温度模型来测量干扰，也有人提出通过测量干扰温度进行频谱感知，但这种方法通常要求CR节点知道授权用户的位置，目前尚面临很多问题。 2.3 数据传输技术 数据传输技术对于CR实现利用空闲频谱进行通信，从而整体上提高频谱利用率的主要目标非常关键。由于CR可用频谱可能位于很宽的频带范围，并且不连续，因此CR数据传输技术必需能够适应可用频谱的这一特性。 目前，实现频谱自适应CR数据传输有2个基本途径：采用多载波技术或采用基带信号发射波形设计。 在多载波传输技术中，正交频分复用(OFDM)是最佳候选技术。如图5所示，其基本思想是将可用整个频带划分成OFDM子载波，只利用没有被授权用户占用的子载波传输数据，构成所谓的非连续OFDM(NC-OFDM)。子载波的分配则通过频谱感知和判决的结果，以分配矢量的方式实现。例如，在进行OFDM调制时，可以将已被授权用户占用的子载波置零，从而避免对授权用户产生干扰。同时，考虑到频谱渗漏的问题，还有必要留出足够的保护子载波。同时，由于很多子载波并没有使用，可以通过一些快速傅立叶变换(FFT)修剪算法降低系统实现的复杂度。 OFDM技术的重要优点是实现灵活，但也面临同步、信道估计以及高峰平比的问题。为此，也可以通过在时、频或者码域设计特殊的发射波形，生成满足特定频谱形状的发射信号。例如，在频域合成波形的变换域通信系统(TDCS)、设计特殊扩频码片的扰测量法/码分多址(CI/CDMA)技术、以及跳码 /码分多址(CH/CDMA)技术等。虽然这些技术不如OFDM实现灵活，但在初始接入、收发双方不知道对方可用频谱特性时仍然有用。 3 认知无线电发展现状与趋势 当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如：德国Karlsruhe大学的F. K. Jondral教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的工作，该工作组正在制定利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。 结合上述认知无线电技术的现状，预计认知无线电未来会沿着以下几个方面发展： 基本理论和相关应用的研究，为大规模应用奠定坚实的基础。比较重要的包括：认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术，例如：频谱资源的管理、跨层联合优化等等。 试验验证系统开发。目前，已经有多个试验验证系统正在开发中，这些系统的开发成功，将为验证认知无线电的基本理论、关键技术提供测试床，推动其大规模应用。 与现有系统的融合。虽然目前认为认知无线电的应用应该不要求授权用户作任何改变，但如果授权用户和认知无线电用户协同工作，将会便于实现并提高效率。目前，已经有一些研究工作在考虑将认知无线电集成到现有无线通信系统的方法，并取得了一些初步成果。预计未来这方面将会有大量的需求。 4 结束语 认知无线电的提出，为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾开辟了一条行之有效的解决途径，是未来无线通信产业的发展方向，正逐渐通过标准化进入产业领域。然而，认知无线电技术从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术需要突破，这也使其成为了近年来无线通信研究的热点。 5 参考文献 [1] Mitola Ⅲ J. 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