试论认知无线电技术的研究及发展

王薇 冯浩

摘要：作为软件无线电技术的一个发展，认知无线电近年来备受关注。认知无线电技术能够对无线电环境进行自动检测。调整传输参数，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，可以大幅度提高频谱利用效率。本文就对认知无线电技术的研究与发展，做了深入的研究与探讨。

关键词：无线电技术；研究发展；功能实现

前言

由于移动终端天线尺寸和功率的限制，可以用于无线接入的频段很有限。在提高频谱效率方面，目前较为先进的 CDMA 空中接口技术，如 HSDPA 可以达到 1 bit/（s·Hz）的频谱效率，将来 OFDM 和MIMO 技术的应用也只能达到 3～4 bit/（s·Hz）的频谱效率。3～4倍的频谱效率的提高对于人们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。认知无线电技术的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。

一、认知无线电的功能与实现

从认知无线电的概念我们可以看到，与传统的以发射机为中心的设计思想所不同，认知无线电是以接收机为中心的以目标为驱动的框架；与传统的通信系统结构不同的是，仅仅实现底层的功能是远远不够的，如果要确保大量认知无线电设备正常工作必然要涉及到更高层次的协议设计。

1、认知无线电的主要功能

由于认知无线电技术尚处于起步阶段，对于该技术的主要功能还处于讨论过程中。Mitola 博士提出的认知循环过程相对比较复杂，包括一系列认知学习步骤。当前，不同组织机构在设计实现认知无线电的总体框架中所涉及的具体内容也有所不同。从比较完整的意义上一般认为，认知无线电系统应该具备检测、分析、调整、推理、学习等能力。事实上，这些具体功能就是一个认知循环的主要组成部分。

（1）检测

由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检测能力，必须在可使用的全频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。由于是免许可使用，认知无线电必须具备迅速发现首要用户的能力，在工作过程中时刻检测首要用户是否处于活动状态，从而确保不对其产生干扰。更为困难的一点是，由于广播电视用户多为哑终端，即仅仅完成接收功能。而作为认知无线电用户又必须能够发现他们的存在，从而避免对其产生干扰，这就为频谱检测提出了更为艰巨的要求。目前有些研发人员提出通过检测接收机本振的频谱泄漏来完成对哑终端的定位，但是仍处于研究阶段。

（2）分析

认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据（包括频谱使用、策略使用等）和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的获取，那么分析就是对相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果分析首要用户的位置、使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位置、可用带宽、信道状况、自身传输可能会对其他用户产生的影响以及完成业务传输所需的带宽和时间。

（3）调整

调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知无线电设备通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的频点和发射时机，从而成功地完成传输。这就要求认知无线电设备具备较强的性能，能够在较宽的频段内实现不同传输方案之间的切换，并且在突发事件发生后能够及时暂停或恢复传输，确保在不干扰首要用户的情况下获取最大限度的传输能力。

2、认知无线电的实现关键

（1）高灵敏度接收机

认知无线电在开始使用之前必须先对频谱功率密度进行估计，以确定哪些频点正在使用。为了精确测量频谱，需要有高灵敏度的接收机来测定小区边缘的信号功率。以一个位于小区边缘的数字电视机为例，接收到的信号可能刚刚超过接收机的灵敏度要求。为了能够检测出这一信号，认知无线电需要具有比数字电视机更高的灵敏度。如果认知无线电不能检测到数字电视信号，就会错误地认为该频点未被使用，从而对数字电视机的解码产生干扰，这种情况被称作“隐藏节点问题”。同时，这一技术也是对首要用户发射状态的检测、首要用户定位和可用频谱资源检测的关键所在。

（2）智能处理平台

高速智能处理平台是认知无线电设备根据无线检测结果分析无线传输背景，包括首要用户的存在、定位、频谱空穴的发现、信道状况估计和传输带宽选择等多方面参数确定的基础。当频谱被分配后，认知无线电必须还能够估计首要用户的干扰容限，从而确定自身的传输功率。很多情况下，这个限定的量为0.5～ 1 dB，但还要取决于首要用户接收机的链路余量。干扰程度至少可以通过两个信息来确定：首要用户信号带宽的估计，认知无线电和被干扰设备之间的距离。信号带宽可以用来确定被干扰设备的噪声门限，距离可以用来确定被干扰设备接收到的认知无线电信号功率强度。假设被干扰设备的噪声门限可以允许提高一个预先设定的量值，可以很容易计算出认知无线电最大允许发射功率。当然，这种分析过于简单，可以进一步细化，如果认知无线电能够对首要用户的信号类型和对应的数据速率进行盲识别，这些额外的知识可以确定被干擾设备灵敏度的具体数值。

二、未来发展与展望

认知无线电是无线电技术发展的下一个里程碑，该技术的应用会带来历史性的变革。对于频谱管制者而言，该技术可以大大提高可用频谱数量，提高频谱利用率，有效利用资源；对于频谱持有者而言，可以在不受干扰的前提下开发二级频谱市场，在相同频段上提供不同的服务，该技术可以为设备厂商带来更多的机会，具备认知无线电功能的设备将更具竞争力；对终端用户而言，可以带来更多带宽，在认知无线电技术成熟后，用户则可以享受到单个无线电终端接入多种无线网络的优势。

当然，认知无线电技术的发展目前还存在一些障碍：首先，目前频谱管制政策尚没有完全放开，认知无线电技术的应用还存在很大障碍；其次，认知无线电的灵活性还需要不断提高，必须能够随着应用策略的更改灵活配置；认知无线电技术需要强大的可重配置硬件平台，目前的硬件技术发展还满足不了相关需求；另外认知无线电组网工作的语言和协议目前很不完善，需要开发专门语言和协议在设备之间共享无线背景信息。

作为无线通信领域的最新进展，认知无线电技术受到日益关注，虽然由于技术的限制，认知无线电近几年内市场不会很大，但在不久的将来将会获得得突破性的进展，为无线电资源管理和无线接入市场带来新的发展契机和动力。

参考文献：

[1]STAPLEG，WERBACHK.Theendofspeetrumseareity[J]，IEEESpeeturm，2004，41（3）：48一52.

[2]赵久洲，谈无线电技术的现状与未来发展.[J]无线电技术，2013（5）23-25.