认知无线电关键技术及应用的研究现状1郭彩丽,张天魁,曾志民,冯春燕北京邮电大学通信网络综合技术研究所（100876）Email:caili_guo7@摘 要：归纳了认知无线电功能的演进，讨论了其相关频谱政策和标准化工作的进展，并重点对频谱侦听和主用户检测、动态频谱分配、功率控制等关键技术及认知无线电在无线区域网WRAN、Ad Hoc网络、UWB系统中应用的研究现状做了分析。

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：认知无线电； 频谱侦听；主用户检测；动态频谱分配；功率控制1引言目前随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。

人们通过采用先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、多天线技术等努力提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段的频谱利用率极低。

以美国为例，美国联邦通信委员会(FCC, Federal Communications Commission)的大量研究报告说明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段占用拥挤，而有些授权频段则经常空闲[1]。

来自美国国家无线电网络研究实验床(NRNRT, National Radio Network Research Testbed)项目的一份测量报告表明3GHz以下频段的平均频谱利用率仅有 5.2%[2]。

因此近几年来，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱共享技术受到了人们的广泛关注。

现有的频谱共享技术，如工业、科学和医用(ISM,Industrial, Scientific, and Medical)频段开放接入、工作于3GHz～10GHz频段的超宽带(UWB, Ultra-Wide Band)系统与传统窄带系统共存等技术通常应用于固定频段的共享，或受限于发送功率的短距离通信。

这些技术在提高频谱利用率的同时却增加了干扰，限制了通信系统的容量和灵活性。

认知无线电(CR, Cognitive Radio) [3,4,5]作为一种更智能的频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态的检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用。

这将大大降低频谱和带宽的限制对无线技术发展的束缚。

因此这一技术被预言为未来最热门的无线技术。

2CR功能的演进CR的概念虽新，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。

典型的例子有：工作于45MHz左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免使用已占用的信道；免授权1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：2003001312）资助- 1 -的个人通信业务(PCS, Personal Communication Service)设备在传输数据之前预先侦听频谱的占用情况，以避免对其他的免授权设备造成干扰；工作于 5GHz频段的IEEE802.11a网络，采用动态频率选择(DFS, Dynamic Frequency Selection)和发送功率控制(TPC, Transmit Power Control)机制，避免与雷达信号的干扰。

此外，高速下行分组接入(HSDPA, High Speed Downlink Packet Access)、CDMA1x EvDO网络都采用一种认知调制过程，通过确认用户需要的服务，识别用户工作的最佳环境，进而设定最有效的调制方案、数据速率及发送功率等以满足用户的QOS需求。

但以上这些具有基本认知能力的技术只是CR功能的极小一部分，这些技术可以按渐进的方式扩展直到实现CR承诺的全部性能。

在CR功能的演进过程中存在多种不同的认识。

一种认识的代表是以Mitola为首的瑞典皇家科学院 [4]，他们强调软件定义无线电(SDR, Software Defined Radio)是CR实现的理想平台。

CR使SDR从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。

它可通过无线电知识描述语言(RKRL, Radio Knowledge Representation Language)，采用基于模式的推理方式与网络进行智能交流，因此其认知功能的实现主要在应用层或更高层。

但这种认识缺乏相应的具有认知功能的物理层和链路层体系结构的有效支撑；还有一种认识是以Rieser为首的维吉尼亚技术中心提出的[6]，他们认为Mitola提出的基于人工智能的认知系统受限于硬件平台的计算能力，且不能够适应快速变化的网络。

Rieser指出CR不一定需要SDR的支撑，采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒体接入控制(MAC, Media Access Control) 子层的演进过程建模，更适用于可快速部署的灾难通信系统。

但他们仅考虑了单个CR引擎节点的操作，没有涉及引擎节点在CR网络中的行为。

FCC提出的CR功能是以上两种认识的一个相对简化的版本[7]。

它建议任意一无线电只要能够具有自适应频谱感知功能就可称为是CR。

针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用CR 技术实现开放频谱系统，即合法的授权用户（也称主用户）具有高的优先权接入频谱，而具有CR功能的非授权用户（也称次用户或认知用户）可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入频谱。

目前CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等。

目前人们对CR和SDR的关系基本达成共识：SDR具有相当的灵活性，但相比CR缺乏一定的智能。

二者主要区别在于CR自适应频谱环境，SDR自适应网络环境。

CR的实现不一定需要SDR的支撑，但如果借助于SDR，则CR会具有更多潜在的优势[7]。

3CR技术及应用的研究3.1频谱政策和标准化工作进展CR技术对现存的无线频谱固定分配制度提出了挑战。

对此一些频谱管制部门如FCC和英国通信办公室(Ofcom, Office of Communications)等给予了积极的支持。

2002年12月，FCC指出非授权设备应具备能够识别未占用频段的能力；2003年11月，FCC提出新的量化和管理干扰的指标值——干扰温度的概念，以扩展移动和卫星频段的非授权操作；同年12月FCC成立了CR工作组，明确表示支持CR并修正了美国的《电波法》[6]；2004年5- 2 -月，FCC又建议非授权无线电可在TV广播频段内操作。

与此同时，Ofcom也将CR引入其近期的频谱框架概述报告书中。

在频谱政策管制部门的带动下，一些标准化组织接纳了CR并先后制定了一系列标准以推动该技术的发展。

IEEE 802.22工作组对基于CR的无线区域网络(WRAN, Wireless Regional Area Network)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作为宽带访问线路；IEEE 802.16工作组正在着手制定h版本标准，致力于改进如策略、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；此外，国际电信联盟(ITU, International Telecommunications Union)也在努力寻找类似CR的频谱共享技术。

3.2关键技术研究3.2.1频谱侦听和主用户检测认知用户相比主用户具有更低的频谱接入优先权。

为不对主用户造成有害干扰，认知用户需能够独立地检测出空闲频谱及主用户的出现。

这就要求认知用户能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。

为对主用户不造成有害干扰，可靠检测概率要求达到99.9%。

早期的检测方法有采用导频信号和周期平稳过程特征检测(Cyclostationary Feature Detection)等，但检测性能会随着多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外检测能力本身也有一定的限制[8]，因此为实现可靠检测需要探索新的方法。

目前的仿真和分析表明，采用合作分集的方法可达到上述的可靠检测概率要求。

合作侦听允许多个认知用户之间相互交换侦听信息，这可显著提高频谱的侦听和检测能力。

Ganesan等人提出多用户单载波和多用户多载波情况下，集中式CR网络通过引入放大中继(AF，Amplify-and-Forward)合作分集协议，可减少检测时间，从而提高网络的灵活性[9]。

考虑到实际网络中中继节点发送功率有限的情况，Ganesan等人又进一步对分布式CR网络的分集增益的提高进行了分析[10]。

但他们的研究均假设主用户的位置已知。

当主用户的位置未知时，Wild等人提出采用本振泄露(Local Oscillator Leakage) 检测方法[11]，通过检测主用户接收机射频前端发射的本振泄露功率，可准确定位主用户。

此外，最新的研究表明采用物理层和MAC层联合侦听的跨层设计方法可极大的提高频谱侦听能力[12]。

这种方法通过增强无线射频前端灵敏度，同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高检测能力，越来越受到人们的关注。

3.2.2动态频谱分配 (DSA, Dynamic Spectrum Allocation)由于CR网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的，传统的话音和无线网络的DSA方法不完全适用。

另外要实现完全动态频谱分配(Fully DSA)受到很多政策、标准及接入协议的限制[13]。

因此目前基于CR的DSA的研究主要基于频谱共享池(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，因此信道是频谱分配的基- 3 -本单位[14]。

基于频谱共享池策略的DSA实质上是一个受限的信道分配问题，以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。

为规定用户之间选择频谱的协商机制，Mitola在文献[14]中提出了标准的无线礼仪协议的初始框架，主要包括主用户与认知用户之间交互的租用频谱协议、当主用户再次出现时服从的补偿协议、频谱使用优先级协议等。

由于认知用户本质上是一个自治的智能代理，目前的研究大多集中于动态分布式资源分配方面。

对策论（又称博弈论，Game Theory）是一种有效的分析实时认知用户交互过程的工具。

由于经典对策模型不包含学习环节，采用一些嵌入学习功能的改进型对策模型如贝叶斯对策等，是目前研究的热点问题。

Nie等人将对策论的应用做了进一步的扩展，分别分析了合作用户和非合作用户情况下系统的性能，指出基于合作的DSA可提高全网的性能[15]。

但这种基于合作的方法强调系统的整体有效性，必要时需牺牲局部性能。

之后很多研究对该方法进行了改进，以接近最优分配。

如Peng和Zheng等人相继提出的标签机制，可区分用户的优先级，得到50%的性能改善[16，17]；Cao等人提出的本地讨价还价(Local Bargaining)算法，采用公平的业务保证机制，可提供文献[16]和[17]中相近的性能，但明显降低了系统的复杂性[18]。