| 标题 | 基于认知无线电技术及其运用研究 |
| 范文 | 杨浏 摘 要：随着科技的发展，人们生活水平的提高，无线用户逐渐增多，这使得原本宽松的频谱资源越来越紧张。而认知无线电技术给出一种全新的频率资源综合利用思路，大大提高频谱资源的利用率。首先介绍认知无线电技术的基本概念，接着分析认知无线电技术的关键技术和目前的运用情况。 关键词：认知无线电； 关键技术； 频谱资源； 分布式感知 中图分类号：TN92-34文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)09-0051-03 Cognitive Radio Technology and Its Application YANG Liu (State Radio Monitoring Center of Chengdu Stations, Chengdu 611136, China) Abstract： The wireless users are gradually increased with development of technology and growth of people′s living stan-dards, which reduces the spectrum resources. The cognitive radio technology gives a new idea of the comprehensive utilization of frequency resources for greatly improving the utilization of spectrum resources. The basic concepts of cognitive radio technology is introduced, the usage of key technologies and the current situation of cognitive radio technology are analyzed. Keywords： cognitive radio; key technology; spectrum resources; distributed cognition 0 引 言 近年来，无线通信技术发展迅猛，无线电用户也迅猛增加，看似取之不尽的频谱资源却变得无比稀缺。频谱资源稀缺的根本原因是传统的分配机制存在缺陷，固定的频谱分配机制大大限制了频谱的使用率。认知无线电技术的提出，为这一问题的解决提供了很好的方法。认知无线电最早由瑞典的Joseph博士提出，是对软件无线电的进一步扩展，其核心思想是充分利用没有被用户使用的频谱资源，对闲置的频谱资源进行检测，以进行运用。 对于认知无线电的解释众多，比较有代表性的有Mitola理论和FCC理论。其中Mitola理论认为，认知无线电可以保证个人的无线控制器(PDA)和相关网络安全，智能地侦测到用户的通信需求，并为其提供最为适合的无线电资源。作为软件无线电的一种,它结合了多种功能，包括应用软件、界面和认知等。与Mitola观点相左，FCC认为，认知无线电可以与其运行环境发生交互作用，从而改变其发射机参数。目前，这一定义获得的认可度比较高。 1 认知无线电的关键技术 认知无线电技术的关键技术琜1]有动态频谱管理和频谱感知技术。奈曼-皮尔逊准则(Neyman-Pearson criterion)是信号检测中常用的判决准则之一，也是认知无线电中评价感知性能的主要准则。根据这个检测依据，可以将认知无线电频谱感知技术分为两种，即基于能量的检测和基于特征的检测。 1.1 基于能量的检测 基于能量的检测对被检测信号的先验知识要求不高，只需比较少的被检测信号的先验知识便可进行。检验接收信号y(n)满足以下假设： H0:y(n)=ω(n) H1:y(n)=x(n)+ω(n) 式中:x(n)为首要用户信号;ω(n)为噪声信号。这样接收信号的能量估计为： T=BM∑Mn=1y(n)y(n)* 如果T>Tthereshold，则认为H1假设成立，首要用户信号即出现，否则则认为无首要用户信号［2］。 1.2 基于特征的检测 基于特征的检测方式是基于信号的有关特征进行的，包括简单的频谱相关性感知和基于信号循环平稳特征的感知。前者通过对预存信号频谱与接收信号频谱的相关运算进行感知。后者是依据无线电信号所普遍具有的循环平稳性而展开的，其可以用普相关函数(SCF)来表示，即在离散的情况下，有： SαxT(f)Δt=1Δt∫Δt/2－Δt/21TXT(t,f+α/2)X*T(t,f－a/2)dt 这样，通过检测SCF的峰值并搜索循环频率的关系，便可以确定是否出现授权用户。这种检测方式操作起来非常简单，不需要事先知道与被检测信号调制参数相关的信息，并且可以减少信号接收过程中的不确定性，对噪声不确定性不敏感，还能够有效抑制其间的噪声变化。研究显示，循环平稳检测性能在低信噪比的情况下，比能量检测器更加优越。基于信号符号构成的感知主要应用在具体的系统当中，可针对被检测信号的具体特征加以设计。 目前运用比较广泛的是分布式感知。多单一检测器的检测性能不太稳定，容易受径衰落和阴影衰落的影响。对于所有的检测器来说，其位于深衰落的概率都非常低，因此，研究者多数均偏好运用此种感知方法来减少对单一检测器的依赖，增强检测的可靠性。根据带宽的需求和检测器提供的结果类型，可以将分布感知划分为三类： (1) 用来交换检测决策的窄带控制信道。窄带控制信道的功能非常强大，在较低信噪比情况下，能够有效的提高能量检测器的检测性能。 (2) 用于类似循环平稳检测器的检测结果传输的窄带控制信道。其传输的不是单纯的决策信息，通过交换检测结果的摘要，可严格避免传输大量的原始数据。 (3) 宽带控制信道，这种信道的信息处理功能非常全面，能交换完整的原始数据，并能提供非常全面的信息，据此能够进行更加复杂的检测。 从检测概率和可靠性方面考虑，分布式感知更有优势；但在效率层面上，即降低首要用户检测的时间方面，协作感知(Cooperative Sensing)则表现更加突出。然而，目前受多方面因素制约，对协作感知的研究还比较少［3］。 与认知无线电技术相关的另外一种关键性技术是动态频谱分配，又称为动态频谱管理。频谱分配是通过一个自适应策略对频谱资源进行有效利用的手段，其可以提高无线通信的灵活性，使资源得以有效且公平的配置，减少主要用户和次要用户之间的冲突，为其共享频谱提供平台。以无线电频谱感知为基础的认知无线电的动态频谱管理可以通过频谱共享池策略，达到共享信道的目的［4］。 2 认知无线电技术的运用范围 认知无线电技术运用琜1]广泛，表现在以下几方面： (1) 在与认知无线电技术密切相关的超宽带(UWB)系统中的应用。UWB技术一直以来都被认为是未来多媒体宽带无线通信领域中最具成长前景的技术，2002年FCC将信号带宽与中心频率之比大于25％或者中心频率大于500 MHz的带宽定义为超宽带。之后，UWB技术在激烈的竞争中谋求发展，其间出现了两个提议，即我们熟悉的直接序列UWB方案和多频带OFDM-UWB方案。 (2) 在近几年才出现的全新的无线网络结构Mesh网中的应用。Mesh具有无线多跳(Multi-hop)的网络拓扑结构，其网络中的每个节点都都可以与一个或多个对等节点直接通信，能够快速发送和接收信息，且具有接入方便、成本低廉等诸多优点。在网络越来越密集，人们对其服务的吞吐量大小要求更高的今天，无线电Mesh网的处理能力和速度需要进一步进行提升才能顺应时代的发展。CR技术能够提高频谱的利用效率，且与无线Mesh网的结合可以应用于人口稠密的大城市的无线宽带接入。当一个无线Mesh网的骨干网络由固定中继点和认知接入点组合而成时，其覆盖范围便能大大增加。 (3) 在WRAN中的应用。 IEEE 802.22工作组于2004年11月成立，无线区域网络(WRAN)是其另外的称谓，WRAN的工作原理是利用CR技术将分配给广播电视的VHF/UHF频带作为宽带接入信道。这一系统定义了一种点到多点的无线电空中接口。基于CR基站进行小区内部的认知用户的自我管理，指由于每一个认知用户为了找到空闲的频道资源，都会对所有的TV频道进行扫描，然后将这些频道所占用的信息发送到基站端，随后由其对频谱资源进行动态的管理，将可用信道作为无线宽带接入使用。 (4) 在WLAN中的应用。虽然IEEE 802.11a和IEEE 802.11b/g两者的无线局域网设备均工作在2.4 GHz和5.8 GHz的频段内。但是在这段不需要授权的频段上，其极有可能会遭受到HomeRF设备、无线电话、蓝牙等工业设备的干扰。CR技术能进一步加强通信网络系统的性能和安全性。 (5) 在多入多出(MIMO)系统中的应用。认知无线电的运用非常广泛，在无线通信的许多新的研究领域均有所涉及。认知MIMO技术与认知无线电的联合，可以利用载波的频率及复用的增益的两种灵活性使无线通信系统的频谱效率得以显著提高，这也是对其加以运用的主要目标。 (6) 在矿井通信中的运用。认知无线电在煤矿无线通信中的运用具有以下优势： 可提高系统容量，认知无线电的功能非常全面，其能够根据井下的实际情况对频谱进行动态的分配，改变传统的井下无线通信安装之后对工作频率和方式进行固化的弊端。此外，由于矿井中巷道多且复杂，工作面和介质，乃至工作地形等环境均呈动态分布，普通的技术难以对其进行科学的分析，而认知无线电还可以根据同一矿井中的复杂环境对传输参数进行动态的选择，且针对井下语音通信困难问题，通过将频谱利用率提高10倍,以克服通信困难，并可以使实时图像信息的传输和远程监控功能顺利实现。 衡量通信可靠性的重要指标之一是提高系统抗干扰的能力。与地面不同，矿井的环境非常复杂，因此，电磁干扰的耦合和传播会严重干扰单一、固定的通信方式，大大降低其通信效果，甚至阻碍信号的传输，导致通信失败。而认知无线电能够有效冲破以上阻碍，通过感知、学习和分析环境中的电磁信息，进而选择采用最适合传输的编码方式，在此过程中通过对发射功率和工作频率等参数的调整,来减小通信过程中可能产生的电磁干扰，以达到提高通信效果的目的［5-6］。 3 结 语 认知无线电是可以感知外部通信环境的一种智能化通信系统。认知无线电系统可以通过学习，不停地感知外界的电磁环境变化，并通过自适应调整其自身内部的通信机理来达到对电磁环境变化的适应。这种自适应的调整，一是为了提高通信系统的稳定性，二是为了提高电磁频谱资源的利用率［7］。 参考文献 ［1］王斯瑶，付琳．认知无线电技术［J］．通信与信息技术，2006(4)：71-74. ［2］李圣安，王保云．一种新的智能无线技术：认知无线电技术［J］．电信快报，2005(11)：18-21. ［3］陈东,李建东,李维英．认知无线电与WLAN的融合技术［J］．无线电技术与信息，2007(7)：35-39. ［4］周小飞，张宏纲．认知无线电原理及其运用［M］．北京：北京邮电大学出版社，2006. ［5］孙继平，潘涛，田子建．煤矿井下电磁兼容性探讨［J］．煤炭学报，2006，31(3)：377-379. ［6］龚树平.无线区域网与认知无线电中的信道估计技术研究［D］.成都：电子科技大学，2007. ［7］田峰,程世伦,杨震．无线区域网和认知无线电技术［J］．中兴通讯技术，2006，12(6):53-56，59. ［8］叶佩军,安建平．认知无线电在未来多媒体移动通信中的应用［J］．电讯技术，2004，44(2)：25-29. ［9］CHAKRAVARTHY V, NUNEZ A S, STEPHENS J P, et al. 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