论文部分内容阅读
【摘 要】认知无线电技术是解决目前频谱利用率低的重要技术，它允许认知无线电用户使用当前未使用的频段进行通信。本文首先简要介绍认知无线电技术的有关概念，然后分析了认知无线电应该具备的一些主要功能，最后对认知无线电的一些关键技术如频谱检测、频谱分配、功率控制等进行分析。
【关键词】认知无线电 频谱检测 频谱分配 功率控制
一、认知无线电的定义
认知无线电的概念最初是由Joseph Mitola Ⅲ博士基于软件无线电技术提出的。但是认知无线电技术发展到现在，其研究和应用都不再局限于最初的范畴，不同的研究者从不同的角度对认知无线电给出了其定义和内涵。根据认知无线电技术的发展，我们可以得出认知无线电的一个比较清晰的概念：认知无线电是一种智能无线通信系统，它能够自动地检测周围的环境状况，从中获取信息，并智能地调整系统的参数（如传输功率、载频、调制方式等）以适应环境的变化，从而达到在不对主用户造成干扰的条件下从空间、频率、时间等多维地利用空闲频谱资源进行通信的目的。
二、认知无线电的主要功能
（一）检测
由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检测能力，必须在可使用的全频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。由于是免许可使用，认知无线电必须具备迅速发现主用户的能力，在工作过程中时刻检测主用户是否处于活动状态， 从而确保不对其产生干扰。
（二）分析
认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据（包括频谱使用、策略使用等）和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的获取，那么分析就是对相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果分析主用户的位置、使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位置、可用带宽、信道状况、自身传输可能会对其他用户产生的影响以及完成业务传输所需的带宽和时间等等。
（三）调整
调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知无线电设备通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的频点和发射时机，从而成功地完成传输。这就要求认知无线电设备能够在较宽的频段内实现不同传输方案之间的切换，并且在突发事件发生后能够及时暂停或恢复传输，确保在不干扰首要用户的情况下获取最大限度的传输能力。
（四）推理和学习
由于当前无线频谱环境的复杂性，简单的检测、推理和分析可能无法获得较好的传输性能。如何根据无线背景环境的相关数据进行分析预测是一个非常重要的课题。根据历史数据进行推理，获得一定的参考信息，在此基础上进行调整是一个较好的解决方案。一般来讲，这种推理和学习分为三种：第一种是基于简单固定规则，即输人、输出可以预测；第二种是基于较为复杂的模型，运用一些模糊规则，输出结果不可完全预测；第三种是基于学习型的模型，系统运行过程中能够不断调整模型及其参数，从而获得较好的预测结果。
三、认知无线电的关键技术
（一）频谱检测
实现认知无线电通信的前提和先决条件是对周围频谱环境的感知，只有对频谱进行准确检测，才能有效利用空闲频谱进行通信。当前，无线环境检测的基本方法大致可以分为基于发射机的检测、基于接收机的检测和多节点协同检测三种。其中，发射机检测是分析侦听到的信号中是否存在主用户信号，而接收机检测是判断主用户接收机是否处于工作状态。相比较而言，发射机检测比接收机检测要容易，因而目前绝大多数的研究都是集中在发射机检测。另外，通过多节点协同检测，能够提高检测的可靠性，减小多径、阴影的影响，但不可避免的会增加系统通信开销与复杂性。频谱检测一般由物理层完成，物理层检测所有可用自由度（时间、频率、空间等）的频谱，以辨识当前可用于传输数据的信道。
（二）频谱分配
频谱分配是指根据需要接入系统的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定节点。频谱分配策略的选择直接决定系统容量、频谱利用率以及能否满足用户因不同业务而不断变化的需求。因此，频谱分配问题的研究是认知无线电技术发展必须解决的关键问题之一。
认知无线电的频谱分配与其它通信系统的频谱分配具有很多共同的特性，但由于认知无线电自身择机借用主用户频谱的特点，其频谱分配也必须满足一些特殊的要求。认知无线电系统的频谱分配必须考虑三方面的问题：一是认知无线电用户对主用户的干扰问题，二是认知无线电用户之间的干扰问题，三是认知无线电系统的效益和用户间的公平性问题。
自认知无线电概念的提出直至发展到今天，不少学者为认知无线电中的频谱分配问题提出了分析模型，它们大多是借鉴于一些经典的数学理论以及微观经济学理论等。目前，可应用于认知无线电的频谱分配分析的模型主要有：图论着色模型、干扰温度模型、拍卖竞价模型、博弈论模型等几种。
（三）功率控制
认知无线电中可利用已授权频谱资源的前提是不影响授权用户的正常通信。为此，具有认知功能的非授权用户必须控制其发射功率，避免给其他授权用户造成干扰。目前，实现功率控制主要有两种方法。一种是基于信息论的反复注水法，使用该方法会使发送端在增益较多的子信道上分配更多的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分配能量，从而在整体上充分利用现有资源，达到最大传输容量。另一种就是博弈论（game theory），也称对策论，是研究决策主体行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策的均衡问题，它可以划分为合作博弈和非合作博弈。当不考虑竞争现象时，就是合作博弈，功率控制问题就简化为一个最优控制理论问题。当用博弈论方法研究每个用户最大化自己的效用时，功率控制问题被归结为一个非合作博弈。
四、总结
认知无线电作为一种新兴的频谱共享技术，目前受到了广泛关注。本文首先对认知无线电的有关概念进行了介绍，随后分析了认知无线电的检测、分析、调整、推理和学习等主要功能，最后对认知无线电的关键技术如频谱检测、频谱分配、功率控制等进行了分析。
【关键词】认知无线电 频谱检测 频谱分配 功率控制
一、认知无线电的定义
认知无线电的概念最初是由Joseph Mitola Ⅲ博士基于软件无线电技术提出的。但是认知无线电技术发展到现在，其研究和应用都不再局限于最初的范畴，不同的研究者从不同的角度对认知无线电给出了其定义和内涵。根据认知无线电技术的发展，我们可以得出认知无线电的一个比较清晰的概念：认知无线电是一种智能无线通信系统，它能够自动地检测周围的环境状况，从中获取信息，并智能地调整系统的参数（如传输功率、载频、调制方式等）以适应环境的变化，从而达到在不对主用户造成干扰的条件下从空间、频率、时间等多维地利用空闲频谱资源进行通信的目的。
二、认知无线电的主要功能
（一）检测
由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检测能力，必须在可使用的全频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。由于是免许可使用，认知无线电必须具备迅速发现主用户的能力，在工作过程中时刻检测主用户是否处于活动状态， 从而确保不对其产生干扰。
（二）分析
认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据（包括频谱使用、策略使用等）和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的获取，那么分析就是对相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果分析主用户的位置、使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位置、可用带宽、信道状况、自身传输可能会对其他用户产生的影响以及完成业务传输所需的带宽和时间等等。
（三）调整
调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知无线电设备通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的频点和发射时机，从而成功地完成传输。这就要求认知无线电设备能够在较宽的频段内实现不同传输方案之间的切换，并且在突发事件发生后能够及时暂停或恢复传输，确保在不干扰首要用户的情况下获取最大限度的传输能力。
（四）推理和学习
由于当前无线频谱环境的复杂性，简单的检测、推理和分析可能无法获得较好的传输性能。如何根据无线背景环境的相关数据进行分析预测是一个非常重要的课题。根据历史数据进行推理，获得一定的参考信息，在此基础上进行调整是一个较好的解决方案。一般来讲，这种推理和学习分为三种：第一种是基于简单固定规则，即输人、输出可以预测；第二种是基于较为复杂的模型，运用一些模糊规则，输出结果不可完全预测；第三种是基于学习型的模型，系统运行过程中能够不断调整模型及其参数，从而获得较好的预测结果。
三、认知无线电的关键技术
（一）频谱检测
实现认知无线电通信的前提和先决条件是对周围频谱环境的感知，只有对频谱进行准确检测，才能有效利用空闲频谱进行通信。当前，无线环境检测的基本方法大致可以分为基于发射机的检测、基于接收机的检测和多节点协同检测三种。其中，发射机检测是分析侦听到的信号中是否存在主用户信号，而接收机检测是判断主用户接收机是否处于工作状态。相比较而言，发射机检测比接收机检测要容易，因而目前绝大多数的研究都是集中在发射机检测。另外，通过多节点协同检测，能够提高检测的可靠性，减小多径、阴影的影响，但不可避免的会增加系统通信开销与复杂性。频谱检测一般由物理层完成，物理层检测所有可用自由度（时间、频率、空间等）的频谱，以辨识当前可用于传输数据的信道。
（二）频谱分配
频谱分配是指根据需要接入系统的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定节点。频谱分配策略的选择直接决定系统容量、频谱利用率以及能否满足用户因不同业务而不断变化的需求。因此，频谱分配问题的研究是认知无线电技术发展必须解决的关键问题之一。
认知无线电的频谱分配与其它通信系统的频谱分配具有很多共同的特性，但由于认知无线电自身择机借用主用户频谱的特点，其频谱分配也必须满足一些特殊的要求。认知无线电系统的频谱分配必须考虑三方面的问题：一是认知无线电用户对主用户的干扰问题，二是认知无线电用户之间的干扰问题，三是认知无线电系统的效益和用户间的公平性问题。
自认知无线电概念的提出直至发展到今天，不少学者为认知无线电中的频谱分配问题提出了分析模型，它们大多是借鉴于一些经典的数学理论以及微观经济学理论等。目前，可应用于认知无线电的频谱分配分析的模型主要有：图论着色模型、干扰温度模型、拍卖竞价模型、博弈论模型等几种。
（三）功率控制
认知无线电中可利用已授权频谱资源的前提是不影响授权用户的正常通信。为此，具有认知功能的非授权用户必须控制其发射功率，避免给其他授权用户造成干扰。目前，实现功率控制主要有两种方法。一种是基于信息论的反复注水法，使用该方法会使发送端在增益较多的子信道上分配更多的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分配能量，从而在整体上充分利用现有资源，达到最大传输容量。另一种就是博弈论（game theory），也称对策论，是研究决策主体行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策的均衡问题，它可以划分为合作博弈和非合作博弈。当不考虑竞争现象时，就是合作博弈，功率控制问题就简化为一个最优控制理论问题。当用博弈论方法研究每个用户最大化自己的效用时，功率控制问题被归结为一个非合作博弈。
四、总结
认知无线电作为一种新兴的频谱共享技术，目前受到了广泛关注。本文首先对认知无线电的有关概念进行了介绍，随后分析了认知无线电的检测、分析、调整、推理和学习等主要功能，最后对认知无线电的关键技术如频谱检测、频谱分配、功率控制等进行了分析。