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关键技术
• 频谱感知 • 动态频谱管理 • 功率控制等
（1）频谱感知技术
• 频谱感知技术是CR应用的基础和前提。 • 功能：识别频谱空洞、检测授权用户出现。 • 分类：单节点感知和协作感知。 单节点感知：单个CR节点根据本地的无线射频环境进行 频谱特性标识； 协作感知：通过数据融合, 基于多个节点的感知结果将进 行综合判决。

目前全球1GHz以下已经分配殆尽
无线蜂窝移动通信系统：825-835MHz和870-960MHz 频段； 其余主要分配给对讲机业务和电视广播业务。
★ 无线电通信频谱资源是一种宝贵的自然资源，由于
无线通信业务需求的快速增长，可分配的频谱资源变 得越来越稀缺。
背景
• 现代频谱需求

移动通信宽带化
1985 1995 2000 2005 2010 2015
背景
• 由于大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用，且相当数 量的授权频谱资源的利用率却非常低。 • 如何提高频谱的多维度利用率，即在不同地区的不同时间段 里有效地利用不同的空闲频谱，成为无线通信领域非常关注 的技术问题。
—— 频谱智能高效利用成为影响 未来无线产业发展的关键性课题
背景
• 如何发展频谱智能高效利用技术来解决未来无线通 信频谱需求的瓶颈？
1）单节点感知
• 单节点感知技术分为3种：
单节点感知
匹配滤波
能量检测
周期特性检测
图 4 单节点感知技术分类
1）单节点感知
• 这些方法各有优缺点, 三者之间的比较如下表：
表1 单节点频谱感知技术的比较
检测算法
匹配滤波
适用范围
CR节点知道授权用户的信号信息
►
信号处理技术极大提高了无线系统在接入使用时的频
谱利用率；但仍未解决频谱资源未被使用时造成空洞浪费的 问题
► 是否可以考虑在授权频段闲置时允许其他无线业务用
户接入？如果可以，需要满足什么条件？
背景
• 1999年Joseph Mitola 提出了认知无线电CR（Cognitive
Radio）技术
• 核心：频谱准入政策允许授权频段在闲置时被其他业务用 户接入——动态频谱分配政策
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什么是CR？
• 认知无线电技术定义（ITU-R ）
“Cognitive radio (CR) is a radio system employing technology that allows the system to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state; to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives; and to learn from the results obtained.”
允许系统获取周围的工作和地理环境信息、已建立的通信策略 及其内部状态；依据获取的信息，动态的和自主的调整工作参 数和协议来实现预定的目标；并从获取的结果来自我学习。
CR的基本特征：
• 从概念上，CR应该具备以下2个主要特征:
1）认知能力
2）重构能力
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。 这一过程用认知环来表示如下：
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。 • 核心思想：在不对频谱授权用户(PU)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。
重构能力
• 一旦该频段被PU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PU的有害干扰。
与软件无线电的关系
• 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 。 • 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。 • SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式； • 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。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。
认知无线电技术
汪小叶 2011.3.28
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背景
• 传统上，由于固定的频谱分配政策，大多数有用频谱已分 配给授权用户。下面是美国国家电信与信息管理局（NTIA） 的频谱分配图：
图1 NTIA频谱分配图
背景
• 1GHz以下频率划分现状
时间
4G
移 动 性 增 强

1G
2G
3G 3G+
E3G
BWA
WLAN 物联网 感知网 RFID …… 数据速率和带宽需求不断增加
背景
• 在频谱资源紧张的情况下，美国FCC对频谱资源使用情况 进行了调查，发现一些授权频段在时间和空间上存在不同 程度的闲置。频谱的利用情况极不平衡。
图2 频谱使用情况
无线环境
发射信号
射
频 信
息
频谱判决
信道容量
频谱空洞信息
频谱感知
洞Hale Waihona Puke 空 信 息射频信息谱 频
频谱分析
图 3 认知环
认知能力
• 包括3个主要的步骤：
① 频谱感知：是监测可用频段，检测频谱空洞；
② 频谱分析：估计频谱感知获取的频谱空洞的特性； ③ 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。