认知无线电技术的应用研究

闫复利

摘要：为了解决当前频谱利用率低和频谱紧张稀缺的结构性矛盾，提高频率利用效率满足人们的使用需求是迫在眉睫的。分析了传统的时分复用、空分复用、码分复用、正交复用技术已经用于提升频谱利用率。目前依然频谱效率低，通过认知无线电提升频谱利用率是研究的方向和研究热点。介绍了认知无线电原理以及工作流程，研究了认知无线电关键技术以及认知无线电在军事、应急通信、公共安全、工矿企业、自组织网络等领域应用，给出了认知无线电的困境对策和建议以及展望了认知无线电的发展。

关键词：认知无线电；频谱感知；认知引擎；软件无线电；网络融合

1概述

随着电子与信息技术快速发展，各种无线通信新技术和新产品涌现于生产生活的各个方面，如蓝牙技术、RFID技术、UWB技术、Zigbee技术、4G通信技术、WIFI技术、数字广播电视技术、无线门锁技术、无线遥控技术等，它们都需要固定各自的频段频点规避互相干扰。无委会指定的频段频点大部分使用效率低造成频谱资源的浪费，而且目前分配是非连续的，未分配的频段得不到利用，与频谱日益紧张稀缺存在结构性矛盾。当前全球总体无线电频谱利用率低已是最突出的问题，频谱资源是有限和稀缺的，是国家的重要战略资源，频谱资源的稀缺和大量需求的矛盾制约了无线通信的发展。为了提升无线频谱利用率业已使用的有时分复用技术、空分复用技术、码分复用技术、正交复用技术等，根据联邦通信委员会（FCC）的数据，分配的频谱利用率仅仅有15～85%，3GHz～5GHz频段利用率不足1%，固定频谱指配方式造成了稀缺频谱资源的浪费，我们急需寻求提高频谱利用率的方法解决利用率低和资源紧张的矛盾，认知无线电（Cognitive radio，CR）用来提高频谱利用效率应运而生。1999年Mitola博士首次提出认知无线电概念，目前受到了各界的广泛关注，已有代表性成果在基本理论和关键技术以及网络架构的研究。本文从技术和应用角度对认知无线电进行了研究，并提出认知无线电的困境对策和建议以及展望认知无线电的发展。

2认知无线电原理

认知无线电是基于软件无线电平台的智能通信技术，可以自动利用空闲频段频点和动态检测频谱环境以提高频谱利用率。它具有学习和系统重构能力，可以根据无线电频谱环境实时调整无线系统参数。如图1所示，认知无线电的实现通过三个步骤完成，一是无线频谱环境的感知，感知无线环境的频率使用和干扰情况。二是对感知的电磁环境进行分析、学习和决策，例如重复博弈理论决策、拍卖理论的频谱分配决策等。三是软件无线电的系统重构，决策的执行由系统重构完成，例如功率控制、频谱分配等。完成这个过程的模块，我们称之为认知无线电模块，或称为认知用户。

3认知无线电关键技术

认知无线电是软件无线电与认知功能的有机结合，认知功能的实现优劣和软件无线电的重构能力决定了认知无线电的性能好坏和实现。

3.1频谱感知

频谱感知是认知无线电实现过程的第一步，对系统性能有决定性影响。频谱感知的目的是及时发现空闲信道，当授权用户（主用户）使用信道时要及时感知并释放信道，不能对主用户产生干扰，频谱感知结果提供给分析决策模块。频谱感知技术是频谱感知的关键，根据感知带宽和感知方式分类如图2所示。我们对感知方式进行分析：（1）匹配滤波器检测快速且增益高，信噪比最优，它的缺点是需要准确的主用户信息，否则性能就会很差，获取主用户的信号相关性需要定时以及频率同步，在很多主用户频谱开放时就需要许多匹配滤波器，这些不足导致成本高和复杂性制约了它的应用。（2）能量检测又称盲检测，是一种重要而又基本的检测方法，是对信道能量进行判决而无需知晓信号信息，与方式（1）相比实现简单。（3）循环平稳特征检测利用信号的循环平稳特征相关性进行检测。（4）合作频谱感知可以有效减弱甚至消除单认知用户检测的错判误判，有集中式和分布式，目前用的大部分为集中式。其优点是检测时间与单认知用户检测相比速度快，缺点是认知用户与融合站之间信息交互会占用资源，合作的认知用户越多，开销的频谱资源越多，降低额外资源开销是未来的研究方向。（5）本振泄漏检测的可靠检测时间长、范围小、使用不方便，需要知道主用户的接收機体系结构，接收机分布范围广时不可行，接收机本振泄漏会变化也不易于检测，目前接收机的本振泄漏很微弱，更增加了检测的难度，改进的监测本振泄漏法复杂且研究成果也较少，该方法使用不多。（6）干扰温度检测可以发现更多的可用频谱，干扰温度在一定限值内认知用户共享频谱不影响主用户的正常工作。（7）宽带频谱感知可以搜索多个空闲信道来提升频谱利用率，分为两类：多信道带宽感知先频带细分再利用窄带频谱感知，不能检测随机信号；一般带宽感知不能对信道逐一检测。

3.2分析决策与学习推理

分析决策与学习推理称为认知引擎，是认知无线电的关键部件与核心部分。人工智能技术又是认知引擎的核心（1）专家系统存储专家知识体系并借助专家知识进行推理决策处理专家级问题，能快速适应环境，及时调整无线电参数。（2）案例推理技术，类似法律上所说的判例法，可以借助历史记录以及相似案列去寻求解决方案。通过案列库查找与当前问题最为匹配的案例并借鉴用于解决当前问题，当前解决的问题也会存储到案例库，无线电环境变化以及参数优化都存储起来作为经验案例，具有学习和智能的特征。（3）遗传算法来自于遗传生物学，该算法把认知无线电作为生物系统对待，把认知无线电的特征作为染色体对待，认知无线电的具体指标就是基因，遗传算法就可以优化认知无线电的工作参数。经济学的理论也可以应用到认知无线电，例如拍卖理论、博弈理论，基于这些理论的频谱分配决策研究已取得了一些成果，若应用到工程还有一些问题需要解决，如政策层面是固定频点指配，法律层面是保护指配。分析决策的目的是为了频谱共享和提高频谱利用率，若从频谱的机会接入方式考虑有Overlay和Underlay两种接入方式，如图3所示。假设频谱共享技术在未划分频段和已划分频段可以共享使用，我们对Overlay和Underlay进行分析：（1）Overlay频谱共享是动态的共享接入，认知用户在空闲频段频点机会接入，若有主用户使用必须即刻释放信道，对主用户的干扰较小。（2）Under—lay频谱共享是认知用户采用扩频技术实现功率谱密度在主用户噪声容忍度以内，不会干扰主用户正常工作。endprint

3.3系统重构

软件无线电借助FPGA、DSP和ARM可以实现硬件和软件的重构，FPGA具有灵活动态重构的特点，DSP擅长算法和信号处理，ARM可以扩展存储空间和接口以及嵌入操作系统，可以控制资源和进程管理。软件无线电可以灵活扩展业务、增强功能、切换信道、适应调制方式、测试分析电磁环境、共享射频和AD/DA电路。实现系统重构软件无线电的关键技术有：（1）低噪声放大器、射频功率放大器、射频开关、双工器、天线等射频前端的带宽要宽，技术指标具有重构能力，可以通过程序控制实现调整。（2）AD/DA的转换速度要快，需要工作频率高和性能优良。其性能会影响信噪比、接收机动态范围、失真度、频谱纯度、互调指标。（3）高速DSP/FPGA是核心，它负责信号处理、计算与控制，其性能决定了无线电的性能和实现，是系统重构的关键与核心。（4）硬件结构具有开放扩展和重构能力，软件无线电才能实现各种体制和适时增加新功能，例如DSP模块扩展、通信接口扩展等。（5）软件可以在不同硬件平台间移植重复利用。

4认知无线电应用

认知无线电可以提高频谱利用率和通信可靠性以及电子对抗效率，减小干扰，可以应用在军事、应急通信、公共安全、工矿企业、自组织网络等领域，该技术对于我国无线电频谱动态管理也有一定积极作用。

4.1军事应用

现代化战争是电子战、信息战，电子和信息设备的良好性能可以大大提高指挥能力、对子对抗能力、不同作战平台的融合能力、战场频谱利用效率、通信系统容量，也可以用于反干扰对方的电子设备与通信。军事上通信和电磁环境复杂恶劣，军事认知无线电（MCR）不是认知无线电简单应用，是科学有效的改进。我们应当建立适应军事通信的综合策略库、研究感知和提取战场信息、综合运用策略融合的人工智能和神经网络。利用感知信息做到频谱监测和管理的融合，进行宽频段的通信和电子对抗，保证我军通信可靠高效的同时也可以对敌方通信系统进行干扰。宽频段的感知和软件无线电重构利于联合作战的水平提高，可以把各种电台和卫星通信互联互通，进行网络融合实现信息共享。

4.2公共安全应用

人民生活的幸福安康和国家的繁荣富强需要和平稳定有序的社会环境，公安机关和其他机关单位综合联勤联动打击犯罪与恐怖组织保障社会安全、人民生命财产安全需要通信灵活、可靠、高效、融合。具有认知功能的无线电，可以用于执行任务，自适应通信质量，优化通信性能、避免暴露自己、延长电池工作时间，其灵活的特点是执行复杂多样化任务的通信保障。

4.3应急通信应用

目前专网通信制式多、模拟数字设备共存、互联互通差、频段频点不同，导致进入救援现场的各个部门和单位各自内部通信、频谱使用无序、互相干扰严重，不利于救援的指挥和进行。认知无线电可以系统重构互联互通、智能提高频谱利用率、规避干扰降低信息撞车、可以实现异网异构的信息融合，是应急通信的理想選择。

4.4无线电频谱管理应用

认知无线电不利于无线电管理，对认知无线电的监测设备成本较高、体积过大，认知无线电对主用户识别具有技术局限性，管理部门频率数据台站库对认知无线电无效导致监测工作挑战巨大，在使用的侦测设备不能检测认知无线电的跳频和扩频形式的频谱，原来的测向定位也失去意义。如果无线电管理部门能建立“小型频率指配站”实行频谱动态管理，认知用户申请获得可用频率，以这种形式进行无线电管理可以合理规划频谱、减少认知用户成本、无线电监管高效有序，是未来无线电管理工作的发展方向。

5结束语与展望

本文从技术和应用角度进行研究分析，认为认知无线电可以动态频谱机会接人、系统重构、灵活自组网、抑制干扰、提高系统容量、信息融合，从而提高频谱利用率。其优势促使标准化组织、各国无线电管理部门、学术界、产业界进行积极研究，它是新兴的技术和研究热点。目前，认知无线电的发展受到无线电现有管理政策和认知无线电网络安全的限制，如果无线电管理部门能建立“小型频率指配站”实行频谱动态管理，认知无线电可以实现使用合法化和管理可控化，我们可以针对认知无线电网络安全的模拟主用户攻击（PUE）、频谱感知数据篡改（SSDF）、学习推理环节攻击进行研究和制定解决方案，如研究先进和实用的网络安全算法，挖掘攻击方式以防患未然。应积极研究认知无线电新技术以及标准制定、无线电管理法规配套，解决网络安全和政策的限制。endprint