2010年第05期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.05,2010 总第221期Communications Technology No.221,Totally基于认知无线电的无线通信研究现状白敏丹(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)【摘 要】归纳了从软件无线电到认知无线电功能的演进。
认知无线电是在软件无线电的基础上提出的智能化的无线通信技术，它着力解决频谱资源的有效利用问题；认知无线电概念的提出将对现行的频谱管理体制提出挑战，并给无线通信带来新的发展空间。
软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下，可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不同的功能。
认知无线电可以感知周围电磁环境，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流，并实时调整传输参数，以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。
文中在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。
【关键词】软件无线电；认知无线电；无线通信；移动通信【中图分类号】TN92【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)05-0044-03 Situation of Wireless Communication Based on Cognitive RadioBAI Min-dan（Information Engineering School, Communication University of China, Beijing 100024,China）【Abstract】The paper summarizes the functional evolution from software radio to cognition radio. Cognitive radio is a software-defined radio based on the intelligent wireless communication technology. It emphatically resolves how to make use of spectrum resources. The proposal of cognitive concept would challenge the present spectrum management system, and bring new space for the development of wireless communication. Software radio system could, without any change of system hardware, implement various functions at different times by loading the software. Cognitive radio could sense the surrounding electromagnetic environment and realize intelligent exchanges with communications network through radio knowledge description language (RKRL), and by real-time adjustment of the transmission parameters, achieve high reliability and spectrum utilization efficiency of communication system at anytime and anywhere. Based on these, this paper discusses the hot issues in the future development of cognitive radio technology.【Key words】software radio; cognitive radio; wireless communication; mobile communication0 引言通过近20年的发展，移动通信已成为通信领域最活跃、市场份额最高的产业，也成为国际上市场竞争最激烈的部分。
但是，按着传统的思路的产品开发及生产方式，已表现出不少问题，如产品是针对特定的标准中一个版本来开发和制造的。
当新技术出现或版本升级或提供新业务时，只能开发新的专用芯片，制造新一代的设备。
其结果不是限制了新技术和新业务的使用，就是给制造商、运营商带来更大的投资风险，给用户带来诸多不便。
随着各种新标准、新协议的不断发布，无线系统制造商和通信服务提供商不得不做出响应，通过系统升级，以保持其技术的先进性，不断为用户提供高质量的通信服务（从1 G到4 G）。
但是，如此反复的重新设计和硬件的不断更新换代，不仅成本高，浪费资源，而且给最终用户也带来诸多不便。
软件无线电SDR（Software Defined Radio）就是在这样的背景下诞生的能经得起时间考验的无线通信系统[1]。
软件无线电是指采用固定不变的硬件平台，通过软件重构（升级）来实现灵活多变的通信体制和通信功能的无线电系统。
软件无线电硬件平台的特点是通用化、标准化、模块化，以及对信号波形的广泛适应性；软件无线电的核心是其驻留在DSP和/或FPGA和/或ASIC内部的功能软件，这些软件是可升级、可重构的，以适应不同的技术标准、接口协议和信号波形。
近几年，软件无线电在微电子技术的带动收稿日期：2009-09-02。
作者简介：白敏丹（1964-），女，硕士，副教授，主要从事专业及基础课教学的研究工作。
44下，取得了前所未有的快速发展[2]。
无线通信中的另一个重要问题是频谱资源的有效利用。
目前频谱资源管理国际上采用的通用做法是实行授权和非授权频率管理体制，对于授权频段，非授权者不得随意使用。
由此带来的问题是，在某些授权频段，频谱利用率很低，而在某些非授权频段，信号又非常的拥挤，导致频谱资源利用极不均衡的现状。
为解决频谱资源的有效利用问题，有人又提出了基于软件无线电的认知无线电概念。
认知无线电CR（Cognitive Radio）是一种具有频谱感知能力的智能化软件无线电，它能自动感知周围的电磁环境，寻找“频谱空穴”，并通过通信协议和算法将通信双方的信号参数调整到最佳状态。
由此可见，认知无线电不仅具有通信功能，而且还需具备频谱探测能力，具有多功能特征，必须借助于软件无线电来实现。
认知无线电已成为目前无线通信领域的一大研究热点[3]。
1 软件无线电的工程性软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下，可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不同的功能。
软件无线电概念虽然是从通信领域提出的，但这一概念一经提出就得到了包括通信、雷达、电子战、导航、测控、卫星载荷以及民用广播电视等整个无线电工程领域的广泛关注，已成为无线电工程领域具有广泛适用性的现代方法。
尤其是近几年，软件无线电的发展势头更猛，已触动到无线电工程的每一个角落：从3G到4G；从美军的MBMMR（多频段多模式电台）到JTRS（联合战术无线电系统）都是以软件无线电概念进行设计、开发的，甚至就连完成单一功能的GPS 也要进行软件化设计[1]，以适应未来导航技术的发展需要。
理想的软件无线电结构如图1所示。
在接收端：由天线感应的无线电信号经过必要的低噪声放大后，就直接对其进行数字化（ADC）,数字化后的信号经过FPGA或/和DSP 完成数字下变频、数字滤波、数字解调等信号处理任务；在发射端：需要发射的基带信号通过FPGA或/和DSP完成数字调制、数字上变频和数字滤波等信号处理任务，经过DAC 变换为模拟信号，最后经功率放大器放大到足够功率，由天线发射出去。
该硬件结构与所要完成的功能无关，它所完成图1 理想的软件无线电结构图1所示的软件无线电结构是一种理想化的软件无线电结构[4]，其实现是有相当难度的。
首先，根据奈奎斯特采样定理，该软件无线电的工作带宽有多宽，其AD采样至少是带宽的两倍[5]，比如：对于工作在2～2 000 MHz的JTRS 电台，其采样频率至少是4 GHz，考虑到滤波器矩形系数，采样频率需要超过5 GHz，如此高的采样速率在高分辨率情况下至少在目前是难以实现的；其次，高的采样速率对ADC 后续的信号处理（FPGA/DSP）也提出了非常苛刻的要求，大大提高了信号处理部分的实现难度；最后，随着电磁环境的复杂化，过宽的瞬时处理带宽将导致对动态范围的过高要求，无论是高增益的LNA还是高速ADC其动态范围都将无法满足实际需求。
2 认知无线电的智能化优势认知无线电可以感知周围电磁环境，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流，并实时调整传输参数（通信频率、发射功率、调制方式、编码体制等），使通信系统的无线电参数不仅与规则相适应，而且能与环境相匹配，以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。
也就是说，SDR关注的是采用软件方式实现无线电系统信号的处理；而CR强调的是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，实现最佳适配。
从这个意义上讲，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活动。
所以，认知无线电是智能化的软件无线电。
Joseph Mitola博士提出认知无线电的概念[6]，最初的主要目的是想解决频谱资源的有效利用问题。
在绝大多数国家，大部分频谱是以授权方式分配给无线电业务部门的。
在这些已分配的授权频段与非授权频段中，存在着频谱资源利用的不平衡性：一方面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，由于在某些地区授权用户不会在任何时间都使用其频段，因此不少授权频段都处于空闲状态（频谱空穴）。
美国联邦通信委员会（FCC）的研究表明，在大部分时间和地区，授权频段的平均利用率在15%～85%之间；另一方面，开放使用的非授权频段占整个频谱资源的很小一部分，而在该频段上的用户却很多，业务量拥挤，无线电频段已基本趋于饱和。
静态的频谱分配原则是导致授权频段利用率低下而其他用户又无法使用相应频段这一矛盾的主要原因。
如果能够将暂时空闲的频谱资源加以利用，目前这种频谱资源的紧张状况将得到极大的改善。
认知无线电就是针对这一问题提出的有效解决方案，其核心思想就是使未来的无线电设备具有自主发现“频谱空穴”，并合理有效地利用“频谱空穴”的能力。
如何快速、准确地检测到“频谱空穴”，成为认知无线电需要着重解决的关键问题。
从电子侦察的角度来看[5]，认知无线电实际上就是把软件无线电与通信侦察有机地结合在一起。