认知无线电技术及其典型应用
2009年第7
期
技术交流
认知无线电技术及其典型应用
祁
超
（上海市无线电管理局，上海市200031）
摘
要
随着无线通信技术的发展，无线用户数量急剧增加，使频谱资源变得越来越紧
张，如何充分提高无线频谱的利用率成为亟待解决的技术问题。认知无线电技术提出了一种新的频率资源综合利用思路，其核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。文章简要介绍认知无线电技术的概念，详细分析其关键技术、组网方式及典型的应用领域。关键词
认知无线电；关键技术；组网方式；典型应用
0引言
众所周知，无线电频谱是一种宝贵的自然资源。
频谱的利用效率。
1999年8月，瑞典皇家技术学院Joseph Mitola 博士在IEEE Personal Communications 杂志上首次
提出了认知无线电的概念。认知无线电的基本出发点是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机（Opportunistic Way ）”的方式工作在已授权的频段内。当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的、可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”，认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力，从而尽可能提高现有频谱的利用率，有效解决频率资源供给不足的难题。
虽然在理论上3000GHz 以下的电磁频谱均被称为无线电频谱，但由于技术的限制，目前人类仅仅划分出9kHz 到400GHz 的使用频段。实际上，军用的频段集中在40GHz 以下，而民用频段主要集中在3
GHz 以下。随着移动通信技术的迅速发展，新的无
线通信业务层出不穷，用户数量不断增加，频谱资源变得日益紧缺。为了解决这一问题，人们发明了多种先进的调制技术、编码技术以及多天线、链路自适应等新技术。这些技术从不同角度提高了信道容量，取得了较好效果。然而，由于受到香农极限的限制，人们不可能无限制地提高信道容量。虽然无线电频谱可以重复使用，但就某个频点或频段来说，在一定的时域、空域是有限的，是不能重复使用的。
与频谱资源短缺形成鲜明对比的是现有频谱利用率极其低下。美国加利福尼亚大学无线电研究中心（BWRC ）针对0～6GHz 频谱利用率做过一项测试。实测数据显示，在全球许可频段，即便是在信号传播特性较好、需求非常紧张的300MHz ～3GHz 频段内，频谱利用率也不到6%；在3～4GHz 频段，频谱利用率降低为0.5%；在4GHz 以上频段，频率利用率更低。因此，如何对频谱资源进行有效共享，充分提高频谱利用率成为亟待解决的问题。在这样的背景下，认知无线电（CR ）技术提出了一种新的解决思路———通过动态频谱共享（DSS ）来提高无线电
1认知无线电的关键技术
认知无线电的最大优势在于它无需专门授权就
可以工作在授权用户的工作频段上，对所谓的“闲置”频谱进行二次利用。授权用户（AU ）也叫主用户（PU ），是指经过频率管理部门授权，合法使用某一频段的传统无线电用户。与授权用户对应的称为感知用户（SU ），也叫次用户（SU ），是指不经过频率管理部门专门授权，就可以使用已授权于主用户的频段的认知无线电用户。
从比较完整的意义上讲，认知无线电系统应该具备检测、分析、推理和自我调整等功能，而这些功能的实现需要一系列的技术来支持，主要包括干扰温度的界定与测量、频谱检测、动态频谱分配、功率
13
技术交流
控制等。
2009年第7
期
率，还能缩短检测时间，提高整个网络的灵活性。
1.1干扰温度的设定
干扰温度由美国联邦通信委员会（FCC ）提出，
1.3动态频谱资源分配
由于CR 网络中用户对带宽的需求、可用信道
可被看作是频段内的干扰功率谱密度，其设定是用来量化和管理无线环境中的干扰问题。系统设定一个保证授权用户正常运行的干扰温度门限，该门限由授权用户能正常工作的最坏信噪比水平决定。非授权用户被当作授权用户的干扰，一旦包括非授权用户信号在内的累积干扰超过了干扰温度门限，授权用户系统就无法正常工作。反之，可以保证授权用户与非授权用户同时正常工作。因此，干扰温度的正确设定既关系到授权用户的正常工作，也关系到非授权用户的信道接入。
的数量和位置都是随时变化的，传统的语音和无线网络的动态频谱分配方法不完全适用。另外，实现完全动态频谱分配受到很多政策、标准及接入协议的限制，因此，目前基于CR 的动态频谱资源接入（DSA ）的研究主要基于频谱池（Spectrum Pooling ）这一策略。频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信道，信道是频谱分配的基本单位。
频谱池策略共享的基本思想是首先将频谱区域分成3种类型：a ）黑色区域，常被高能量的局部干扰占用。b ）灰色区域，在部分时间被低能量干扰占用。
1.2频谱检测技术
在动态频谱资源分配中会将频谱区域分成黑
色、灰色和白色3种区域类型，那么频谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的白色区域，同时对工作频段在黑色区域（或灰色区域）和白色区域之间的转变进行监测。通常在接收端进行干扰温度的测量，并搜寻“频谱空洞”，将获得的信息通过系统预设的反馈信道传送至发送端，并据此进行发射功率控制处理和动态频谱管理。在发射端和接收端也可以采用自适应的波束成型技术，进一步补充干扰控制。
在认知无线电中，频谱检测技术不仅仅在“频谱空洞”的搜寻和判定中起关键作用，在系统的通信过程中，它还需要负责频谱状态的实时监测。对频谱的监测可以搜集无线环境的统计资料，为高层的频谱管理提供帮助。所进行的实时干扰温度估计为系统的发射端进行功率控制提供必要的参数支持。在某些情况下，监测频谱也能较准确地判定射频信号碰撞事件，使认知无线电系统能尽快进行主动退避，避免过多影响原有授权用户的通信。
c ）白色区域，只有环境噪声而几乎没有射频干扰，包括热噪声、瞬时反射、脉冲噪声等。如图1所示。一般
情况下，白色区域和有限度的灰色区域都可以给感知用户使用。在特定地理位置，CR 将一定的频段分为若干个子信道。通过频谱感知和机器学习技术，将这些子信道分别纳入黑色、灰色和白色的“频谱池”，频谱池中的频谱可以是不连续的，感知用户尽可能利用白色频谱池内的子信道建立链路。当白色频谱池中的子信道容量不够时，感知用户可以随时占用灰色频谱池中的空闲信道。但是一旦主用户要再次使用被感知用户占用的子信道时，感知用户必须切换到其他信道上，为授权用户腾出这个信道。
CR 频谱检测技术主要有主动检测和被动检测两种类型。主动检测是指CR 终端利用自身灵敏的
射频前端采集电磁信息，借助先进的信号处理技术，识别出所处环境的无线电频谱使用状况。被动检测由系统中的基站设备进行频谱分析，并广播目前的频谱使用状态信息，使该区域内分布的CR 终端能从中心基站“被动”地知道无限频谱的使用状况。
在系统设计中，不管是被动还是主动感知方式，对弱信号的检测都比较困难。因此，有部分系统采用了联合频谱检测技术，不仅能降低弱信号的漏检概
图1频谱池示意图
频谱池共享技术的关键问题是如何对特定的频谱或子信道进行准确归类。一般情况下，CR 是通过多抽头奇异值分解（MTM-SVD ）算法，对特定时间、具体位置的频谱使用情况进行分析并归类。实际上，频谱池中的频率成份是动态变化的，一旦有授权用户正在使用的子信道被CR 纳入空闲的灰色区域，甚至是白色区域时，感知用户就有可能干扰授权用
14
2009年第7
期
技术交流
户的正常通信。因此，不论何时何地，都应保证检测过程的灵敏性和可靠性。
1.4功率控制和频谱管理
认知无线电中可以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能控制其发射功率，避免给授权用户造成干扰。解决提高频谱利用效率和降低干扰之间矛盾的方法是改变频谱管理思想和频谱管理规则，使其适应用户的需求和技术的发展。在认知循环中，将频谱检测时获得的干扰温度等相关信息通过系统预设的反馈信道传送至发送端，并根据测量到的主用户接收机信号的本地信噪比（SNR ）近似为认知用户与主用户之间的距离，从而相应调整认知用户的发射功率。
图3
分布式控制结构
2认知无线电中的组网方式
在认知无线电系统中，发射机如何在动态环境
下精确定位接收机又是一个主要的研究内容，往往取决于认知无线电的组网方案。一般情况下，认知无线电有三种组网方式。
2.1中心控制结构
中心控制结构如图2所示。其主要特点是发射
图4网状控制结构
该结构在一定程度上综合了前两种的优点，并克服了它们的缺点，给用户之间的通信带来便利。
信号的控制设计相对简单，但受制于基站的建立。
3
3.1
认知无线电的典型应用
在超宽带（UWB ）系统中的应用
UWB 技术是与认知无线电应用前景紧密相关
的一项技术，被认为是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术，2002年FCC 定义信号带宽与中心频率之比大于25％或中心频率大于500MHz 的带宽称为超宽带。在UWB 技术的竞争发展中出现了两个提议，包括直接序列UWB 方案和多频带
图2
中心控制结构
2.2分布式控制结构
分布式控制结构如图3所示。其主要不足是发
OFDM-UWB 方案。
UWB 具有传输速率高、系统容量大、抗多径能
力强、功耗低、成本低等优点，由于其信号波形分布在很宽的频域内，不可避免地与现有的、已经申请了频率使用权的窄带无线电系统重叠，使共存和兼容成为一个热点难题，迫切需要类似认知无线电技术等新的解决方法。在实际应用中，专家发现多频带
射信号的控制设计相对困难，而且网络组建技术还不成熟。
2.3网状控制结构
网状控制结构如图4所示。其主要特点是本地
通信采用Ad hoc 路由，非本地通信利用接入节点进行通信。
OFDM-UWB 方案更适合CR 技术的应用，二者的
结合能有效抑制窄带干扰，与其他系统更好地共存，显著改善频谱共享难题，提高数据传输速率和整个
15
技术交流
UWB 系统的性能。
3.2在Mesh 网中的应用
无线Mesh 网是近几年出现的全新的网络结构，它具有无线多跳（Multi-hop ）的网络拓扑结构，网络中的每个节点都可以发送和接收信息，每个节点都可以与一个或多个对等节点直接通信，它具有随时随地接入、成本低等优点。
随着网络密度的增大和服务要求吞吐量的提高，无线Mesh 网需要更高的处理能力。CR 技术能提高频谱利用率，CR 技术与无线Mesh 网的结合可以用于人口稠密城市的无线宽带接入。当一个无线
2009年第7
期
析，可以尽快发现非法的恶意攻击终端。CR 技术可以进一步增强通信网络的性能和安全性。
4结束语
当前，在频谱政策管理部门的带动下，一些标准
化组织采用了CR 技术，先后制定了一系列标准以推动该技术在多种应用场景下的发展。例如，IEEE
802.22工作组对基于CR 的无线区域网络WRAN 的
空中接口标准正在制定中，目标是将分配给电视广播的VHF /UHF 频带的空闲频道有效利用起来。
Mesh 网的骨干网络是由认知接入点和固定中继点
组成时，无线Mesh 网的覆盖范围能大大增加。
IEEE 802.16工作组正在着手制定h 版本标准，致力于改进策略、MAC 增强等机制，以确保基于WiMAX
的免授权系统之间、与授权系统之间的共存。
3.3在WRAN 中的应用FCC 于2002年6月成立了无线频谱政策任务
组（Spectrum Policy Task Force ），制订了智能无线电的工作方针，在该方针中利用认知无线电等多项技术，能够避开正在使用的信道，动态地分配频率。2004年，FCC 建议，认知无线电技术可以使用处于闲置状态的电视频道专用频带，以提高该频段的利用效率。根据这一决定，在城市地区，认知无线电技术可以享用的无线频带又增加了100多千赫。可以说，这为认知无线电的发展提供了一张“特别通行证”。
在国内，业界也希望国家无线电管理机构组织对认知无线电技术的深入研究，适时调整现有的频谱管理政策，使其有利于促进认知无线电技术的发展，提高我国无线电频率资源的科学、有效利用。
参考文献
1234
周小飞，张宏纲. 认知无线电原理及应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2007．邱
晶．基于认知无线电技术的动态频谱接入[J].移动通信，2008（9下）：39-42．
李连宝，毛玉泉，等. 认知无线电的关键技术研究[J].通信技术，2008（6）：88-90.
郭彩丽，张天魁，等．认知无线电技术的国内外发展和研究现状[J].现代电信科技，2006（6）：29-33．
2004年11月，IEEE 802.22工作组成立，其别称为无线区域网络（WRAN ），利用CR 技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带作为宽带接入信道。802.22系统定义了一种点到多点的无线空中接口，基于CR 基站管理自己小区内的认知用户。每个认
知用户都要扫描所有TV 频道，实时检测空闲的TV 频道资源，将这些频道占用信息发送到基站端。随后基站端动态进行频谱资源管理，分配可用信道作为无线宽带接入应用。
但基于CR 的WRAN 还存在许多难题：a ）
WRAN 空中接口需要很高的灵活性和自适应性。b ）
为了实现共存，需要相应的物理层和MAC 层控制机制，允许基站以对授权用户的频谱感知来动态改变网络的功率或频率，以避免干扰。c ）为了避免和解决排列或重叠覆盖，实现更好的共享频谱，系统还必须包含各基站之间的协调机制。
3.4在WLAN 中的应用
基于IEEE 802.11b /g 和IEEE 802.11a 的无线
局域网设备工作在2.4GHz 和5.8GHz 的不需授权的频段上。然而在这个频段上，可能受到包括蓝牙设备、HomeRF 设备、微波炉、无绳电话以及其他一些工业设备的干扰。具有认知功能的无线局域网可以通过接入点对频谱的不间断扫描，识别出可能的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，自适应地选择最佳的通信信道。另外，具有认知功能的接入点在不间断正常通信业务的同时，通过认知模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分
祁超（1977—），男，工程师，硕士，主要从事无
线电管理工作，研究涉及公用移动基站管理、无线宽带接入技术和软件无线电等方面。
收稿日期：2009-04-14
16