认知无线电技术介绍

认知网络课程学习报告

题目：认知无线电技术简介

目录

1、认知无线电简介 ………………………………………………………………………………………………………….- 1 -

1.1 技术产生背景 ...............................................................................................................- 1 -

1.2 基本理念和平台结构 ....................................................................................................- 2 -

1.3 认知无线电的发展及研究现状 ....................................................................................- 3 -

2、认知网络关键技术 .................................................................................................................- 4 -

2.1 频谱检测技术 ................................................................................................................- 4 -

2.2 自适应频谱资源分配技术 ...........................................................................................- 5 -

2.3 认知无线电下的频谱管理 ............................................................................................- 5 -

3、认知无线电的标准化 .............................................................................................................- 6 -

4、认知无线电的应用场景 .........................................................................................................- 7 -

5、结语.........................................................................................................................................- 9 - 参考文献.................................................................................................................................... - 10 -

摘要

认知无线电是一种可以感知外界通信环境的智能通信技术，它能够通过对外部环境的理解与学习，实时调整通信网络内部配置，智能地适应外部环境的变化。认知无线电展示了管理复杂网络的新方向，它试图将人工智相关技术引入到网络中，使网络具有自管理、自学习、自优化的能力，从而真正实现网络的可控制、可管理、可信任。同时，它更加注重应用端到端的目标，能明显改善网络QoS和用户的业务体验。文章从认知无线电的基本概念出发，阐述了认知无线电的基本特征和系统平台结构、发展及研究现状，包括涉及的一些关键技术以及应用领域的相关介绍。

关键词：认知无线电；基本特征；关键技术；应用

Abstract

As an intelligent communication system,Cognitive radio is possible to perceive the external environment, through which it learns from the environment then implements the adjustment of internal communication network configuration and intelligently adapts to the changes in the external environment. Cognitive radio shows the new direction of managing the complex networks, it attempts to fuse relevant technologies of artificial intelligence into the network, forming a brand new network of self-management, self-learning, self-optimizing , which can realize the reliability of network control, management and trust. At the same time, it focus on the application between goals, which is capable of significantly improving network QoS and user service experience. From the basic concepts of cognitive network, we expounded the basic characteristics of the cognitive radio, system implementation framework, history anddevelopment ofinvolvingresearch in this paper, including several key technologies and applications.

Keywords: cognitive radio; basic characteristics; key technology; Application

1、认知无线电简介

1.1 技术产生背景及意义

随着无线通信技术的飞速发展，人们可以获得的带宽不断的增加。以移动通信为例，传输速率从最早的不足10kbit/s提高到现在第四代移动通信技术可以提供100Mbit/s的数据速率，但即使如此，仍然无法满足人们对于带宽的日益增长的需求。一方面，人们不断开发新的无线通信技术，利用新的频段来提供各种业务；另外一方面，各种改进的调制和编码技术也使得现有频谱的利用效率得以提高。然而，频谱资源终究是有限的，并且变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务(如电视广播业务等)需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段(LFB)以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多。而相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。因此，可以得出这样的结论：基于目前的频谱资源分配方法，有相当一部分频谱资源的利用率是很低的。

认知无线电（CR，Cognitive Radio）技术可以说为以上问题提供了解决方向。1999年，JosephMitola在他的学术论文中首先提出了认知无线电的概念，在2003年12月的一则通告中，FCC对认知无线电作出如下定义：认知无线电是能够与所处的通信环境进行交互并根据交互结果改变自身传输参数的无线电。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。

认知无线电技术的兴起和发展为解决无线频谱资源紧缺的问题提供了全新的途径。它通过允许认知用户自适应地感知授权频段在时间和空间上的频谱空穴，机会式地利用空穴进行信号传输，达到提高频谱的利用率的目的。CR还使得无线通信系统可不经授权地使用传输特性更好、带宽更宽的频段，有利于平衡通信的成本和性能；同时，宽带无线通信系统通常所具有大动态范围的业务流量特性，正适合于在较宽的动态可用频段内进行机会式传输。因此，引入认知机制不仅是提高未来无线通信系统频谱利用问题的有效途径，也是技术和应用上的迫切需求。

1、认知无线电简介

1.1 技术产生背景及意义

随着无线通信技术的飞速发展，人们可以获得的带宽不断的增加。以移动通信为例，传输速率从最早的不足10kbit/s提高到现在第四代移动通信技术可以提供100Mbit/s的数据速率，但即使如此，仍然无法满足人们对于带宽的日益增长的需求。一方面，人们不断开发新的无线通信技术，利用新的频段来提供各种业务；另外一方面，各种改进的调制和编码技术也使得现有频谱的利用效率得以提高。然而，频谱资源终究是有限的，并且变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务(如电视广播业务等)需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段(LFB)以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多。而相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。因此，可以得出这样的结论：基于目前的频谱资源分配方法，有相当一部分频谱资源的利用率是很低的。

认知无线电（CR，Cognitive Radio）技术可以说为以上问题提供了解决方向。1999年，JosephMitola在他的学术论文中首先提出了认知无线电的概念，在2003年12月的一则通告中，FCC对认知无线电作出如下定义：认知无线电是能够与所处的通信环境进行交互并根据交互结果改变自身传输参数的无线电。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。

认知无线电技术的兴起和发展为解决无线频谱资源紧缺的问题提供了全新的途径。它通过允许认知用户自适应地感知授权频段在时间和空间上的频谱空穴，机会式地利用空穴进行信号传输，达到提高频谱的利用率的目的。CR还使得无线通信系统可不经授权地使用传输特性更好、带宽更宽的频段，有利于平衡通信的成本和性能；同时，宽带无线通信系统通常所具有大动态范围的业务流量特性，正适合于在较宽的动态可用频段内进行机会式传输。因此，引入认知机制不仅是提高未来无线通信系统频谱利用问题的有效途径，也是技术和应用上的迫切需求。

1.2 基本理念和平台结构

认知无线电的基本出发点就是：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”。

当非授权通信用户通过“借用”的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证他的通信不会影响到其他已授权用户的通信。要做到这一点，非授权用户必须按照一定的规则来使用所发现的“频谱空洞”，如图1.1所示。在认知无线电中，这样的规则是以某种机器可理解的形式(如XML语言)加载到通信终端上。由于这些规则可以随时根据频谱的利用情况、通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，因此通过这些规则，频谱管理者就能以更为灵活的方式来管理宝贵的频谱资源。

图1.1 “频谱空穴”示意图

认知无线电的物理平台的实现是以软件无线电平台为基础的，其物理平台结构与软件无线电平台结构基本相同，两者之间的比较如图1.2所示，它主要在软件无线电平台的基础上增加了感知，学习等功能，以实现其独特的认知能力。

图1.2认知无线电与软件无线电物理平台结构的比较

其中，无论对于软件无线电平台还是认知无线电平台，软件部分的硬件支撑都是通用硬件平台。也就是说，从图1.2可以看出，和软件无线电类似，认知无线电物理平台也主要由射频前端、数模模数转换器以及通用硬件平台3个部分组

成，为软件提供硬件支撑的认知无线电通用硬件平台的组成和结构与软件无线电系统的硬件平台基本类似，但除了常见通信系统所需的数字信号处理外，认知无线电还需要完成频谱感知、频谱分析、频谱判决等认知无线电特有的功能。相对软件无线电系统而言，认知无线电系统射频模块的特点就是，它需要协助系统甚至单独完成宽带频谱感知功能。这个功能要求射频模块的射频硬件具有很宽的工作频带范围，从而实现对频谱信息实时的、大范围的测量。

1.3认知无线电的发展及研究现状

认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。随着许多CR相关研究的展开，并在单纯通过现有的传输技术无法有效解决频谱利用效率偏低的情况下，各种新的思路应运而生，其核心都是如何有效地实现频谱的重用。该领域存在着以下两个基本的研究方向：

一个研究方向是降低信号的功率谱密度来进行频谱的复用，其典型应用就是超宽带（UWB，UltraWideband）技术。

另一个研究方向就是采用一种新的频谱管理技术，以达到充分利用频谱的目的。这种思路的基本出发点就是：在不影响授权频段的正常通信的基础上，具有一定感知能力的无线通信设备可以按照某种机会方式来接入授权的频段内，并动态地利用其频谱。

目前，国内外认知无线电技术的研究大都集中在物理层、MAC层、网络层的功能方面，如频谱感知、功率控制、频谱共享、频谱移动性管理、认知无线电的安全技术以及认知无线电的跨层设计等技术。针对认知无线电的发展，世界各国通信专家都密切关注，国内外的大学和科研机构也相续开展了认知无线电技术的研究。其中主要的研究机构有美国国防高级研究计划署（DARPA，

DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、维吉尼亚无线通信技术中心、英国移动电信技术虚拟中心多模终端研究小组、布里斯托尔大学通信系统研究中心和欧洲通信协会等。此外，美国加州大学伯克利分校的无线研究中心、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院等也有关于认知无线电方面的研究。国内研究机构开展了相关的研究，这些研究机构主要是清华大学、电子科技大学、西安交通大学及香港科技大学等高校。鉴于目前的认知无线电的研究状况，国家“863”计划基金也在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。

2、认知网络关键技术

2.1 频谱检测技术

认知无线电技术能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的“频谱空洞”，利用某些特定的技术和处理，在不影响已有通信系统的前提下进行工作。如图2.1中所示。因而，为了在某个地域上应用认知无线电技术，最先进行的工作是对该地无线信道环境的感知，即频谱检测和“空洞”搜寻与判定。

如果将待查的频段分为3种不同的情况：黑空，存在高功率的干扰；灰空，存在低功率的干扰；白空：仅存在环境噪声量，包括热噪声、瞬时反射、脉冲噪声等。那么频谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的白空，同时对工作频段在黑空(或灰空)和白空之间的转变进行监测。

图2.1频谱检测过程

在认知无线电技术中，进行频谱检测即对所观察的频段进行干扰温度的估计。干扰温度可以看作是频段内的干扰功率谱密度，它的设定是用来量化和管理无线环境中的干扰问题。针对经过谱估计得到的干扰温度，可以给出干扰温度界限。认知无线电领域进行干扰温度估计时，为了能够更好地感知待测区域内的干扰温度，在频谱分析算法中引入了空间的概念，通常会用大量的传感器分布在该区域内，进行无线信号的接收。这些传感器可以是指专门设置的接收天线，也可以是认知无线电系统的各个无线用户终端。通过这些传感器进行无线环境的探测，可以区分无线信号在空间上的不同和差异。针对来自多个传感器测量得到的多组接收信号，经过恰当的频谱分析算法，即可得到对应于特定空间、时间和频段的干扰温度估计值。将该干扰温度估计量和设定的干扰温度门限比较，若在连续的几个时段内均小于门限要求，即可认为出现了“频谱空洞”。

2.2 自适应频谱资源分配技术

由于正交频分复用(OFDM)系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式，该调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率、空间等资源，自适应频谱资源分配的关键技术主要有：载波分配技术、子载波功率控制技术、复合自适应传输技术。

(1)载波分配技术

认知无线电具有感知无线环境的能力。通过对干扰温度的测量，可以确定“频谱空洞”。子载波分配就是根据用户的业务和服务质量要求，分配一定数量的频率资源。检测到的“空洞”资源是不确定的，带有一定的随机性。OFDM系统具有裁剪功能，通过子载波(子带)的分配，将一些不规律和不连续的频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，实现资源的合理分配和利用。

(2)子载波功率控制技术

认知无线电中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，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。功率控制算法在经典的“注水”算法的基础上，有一系列的派生算法。这些算法追求的是功率控制的完备性和收敛性，既要不造成干扰又要使认知无线电有较好的通过率，且达到实时性的要求。事实上功率控制算法和子载波分配算法是密不可分的。这是因为在判断某子载波是否可以使用时，就要对其历史(授权状况)和现状(空间距离、衰落)做出判断，同时还需要计算出可分配的功率大小。

(3)复合自适应传输技术

该技术将OFDM和认知无线电思想以及一系列自适应传输技术结合，从而达到无线电资源的合理分配和充分利用。为了寻求保证服务质量和最大通过率下的最佳工作状态，需综合应用动态子载波分配技术、自适应子载波的功率分配技术、自适应调制解调技术以及自适应编码技术等一系列自适应技术，形成优化的自适应算法。根据子载波的干扰温度，通过自适应地调整通信终端的工作参数，从而达到最佳工作状态。设计合理的自适应传输技术可以大幅提高频谱资源利用率和通信性能。

2.3 认知无线电下的频谱管理

具有认知无线电功能的无线用户在非授权状况下使用频率，必将引起无线电管理部门的注意，并且必定会力求将这种对频率的使用纳入其管理之下。从提高

频谱利用效率的角度出发，不应该压制基于认知功能的非授权频谱使用。好的解

决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。

有研究者提出对频谱划分的新设想：依照频谱应用状况以及干扰的影响，对频谱划分3个等级：严格分配管理(不可干扰)、在一定程度上可供非授权使用(可有一定干扰)、无限制的非授权使用。在现阶段，绝大多数频谱为第一等级，即按照严格分配来进行管理，因而频谱利用率较低。新的频谱管理思想和规则应该使第一等级频谱所占的范围缩小，第二和第三等级频谱所占的范围扩大，以此来提高频谱利用率。这样将频谱分为3部分，第一部分非授权用户不可占用，第二部分可适当占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是认知无线电可利用的频谱。目前各种基于认知无线电的频谱管理思想和管理规则仍在研究之中。

3、认知无线电的标准化 认知无线电技术被视为解决当前频谱资源利用率低的有效方案。各标准化组织和行业联盟纷纷展开对认知无线电技术的研究，并着手制定认知无线电的标准

和协议，以其推动认知无线电技术的发展和应用。涉及认知无线电标准化的机构主要有美国电气电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛（SDRForum）和美国国防部高级研究计划署（DARPA）等。表1中所示为近几年IEEE标准组织中的认知无线电相关标准。

表1. 认知无线电相关技术的标准化进程

IEEE涉及认知无线电的标准最受关注的有两个：IEEE802.22和IEEESCC41（或者称为P1900）。其中，IEEE802.22是采用认知无线电技术为基础的空中接口标准，IEEESCC41的标准化工作主要涉及动态频谱接入的相关技术。另外，我们认为，共存问题、动态频谱选择和功率控制、动态频谱接入等技术都属于认知

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无线电的范畴。因此，除上述两个标准之外，IEEE还有其他几个标准也涉及认知无线电，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已经完成的标准化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，

（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，

（6）IEEE802.11h-2003。

4、认知无线电的应用场景

（1）在WRAN中的应用

2003年12月，FCC在其规则的第15章公布了修正案。法律规定 “只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”，这为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。WRAN的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带（北美为54~862MHz）的频率用作宽带访问线路，将空闲频道有效地利用起来。IEEE802.22标准工作组于2005年9月完成了对WRAN的功能需求和信道模型文档，2006年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并，并于2006年3月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础。

（2）在UWB中的应用

UWB技术产生于20世纪60年代，当时主要应用于脉冲雷达（ImpulseRadar），美国军方利用其进行安全通信中的精确定位和成像。至20世纪90年代之前，UWB主要应用于军事领域，之后UWB技术开始应用于民用领域。UWB由于具有传输速率高、系统容量大、抵抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，被认为是下一代无线通信的革命性技术，而且是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术。

认知无线电采用频谱感知技术，能够感知周围频谱环境的特性，通过动态频谱感知来探测“频谱空洞”，合理地、机会性地利用临时可用的频段，潜在地提高频谱的利用率。与此同时，认知无线电技术还支持根据感知结果动态地、自适应地改变系统的传输参数，以保证高优先级的授权主用户对频段的优先使用，改善频谱共享，与其他系统更好地共存。

（3）在Ad-hoc中的应用

一般的多跳Ad-hoc网络在发送数据包时会预先确定通信路由。认知无线电技术能够实时地收集信息并且自动选择波形，并向各方通知尚未使用的频率信息，适用于具有不可提前预测的频谱使用模式的应用场景。因此，当认知无线电技术应用于低功耗多跳Ad-hoc网络，能够满足分布式认知用户之间的通信需求。 由于认知无线电系统可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择，而频率的改变通常需要路由协议等进行相应调整，因此，基于认知无线电技术的Ad-hoc网络

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需要新的支持分布式频率共享的MAC协议和路由协议。

图4.1 基于ad-hoc 的组网方式

（4）在WLAN中的应用

以IEEE802.11标准为基础的无线技术已经成为目前WLAN技术的主流，通过接入无线网络实现移动办公已经成为很多人生活方式的一部分。随着无线局域网的普及，频谱资源越来越紧张，某些工作频段的通信业务近乎达到饱和状态，无法满足新的业务请求；同时，某些其他频段比较空闲，能够提供更多的可用信道。在这样的背景下，认知无线电技术的出现和发展为解决以上问题带来了新的思路。认知无线电技术能通过不断扫描频谱段，获得这些可用信道的信道环境和质量的认知信息，自适应地接入较好的通信信道，这正是解决WLAN频段拥挤问题的方法。因此认知无线电技术对于WLAN而言更具有吸引力。而且无线局域网具有工作区域小、工作地点灵活、无线环境相对简单等特点，更有利于认知无线电技术的实现。

（5）在Mesh网络中的应用

无线Mesh网络是近几年出现的具有一种无线多跳（Multi-hop）的网络结构。在Mesh网络中，每个节点可以和一个或者多个对等节点直接通信；同时也能模拟路由器的功能，从邻近节点接收消息并进行中继转发。这样，Mesh网络通过邻近节点之间的低功率传输取代了远距离节点间的大功率传输，实现了低成本的随时随地接入。网络中所有节点之间是相互协作的，如果Mesh网络中的一条链路失效了，网络可以通过替代链路将信息路由到目的地，优化了频谱的使用。

认知无线电和无线Mesh网络结合，正是在增大网络密度和提高服务吞吐量的发展趋势下提出来的，适用于可能有严重的线路争用情况的人口稠密城市的无线宽带接入。认知Mesh网络通过中继方式可以有效地扩展网络覆盖范围，当一个无线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网的覆盖范围能够大大增加。尤其是在受限于视距传输的微波频段，认知Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入。

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5、结语

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”并合理利用所发现的“空洞”的能力。值得指出的是认知无线电技术不但引起了学术界的相当关注，工业界对如何将其应用于实际通信系统也产生了浓厚的兴趣。虽然目前认知网络已经获得了足够的重视，但是仍然存在许多新问题，值得在该领域持续投入精力进行更深入的研究，要真正实现认知无线电技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术问题。

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参考文献

[1]郭晨，彭涛，王玮，王文博.认知无线电网络的检查协作频谱感知技术[J].吉林大学学报，2009(3).

[2] Haykin S. Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(2):201-220.

[3]梁红玉,陈宏滨,赵峰.《认知无线电协作频谱感知技术综述》[J].广西通信技术,2011（2）.

[4] 杨乐.《认知无线电关键技术研究》[j].电子元器件应用,2011(8).

[5] Mitola J. Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[R]. Stockholm, Sweden: Royal Institute of Technology (KTH), 2000.

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