認(rèn)知無線電提高“頻譜效率”
 
全雙工數(shù)字窗口對(duì)講機(jī)近年來，隨著各種無線設(shè)備的大量使用和寬帶無線電業(yè)務(wù)不斷應(yīng)用，對(duì)頻譜的需求越來越大，導(dǎo)致頻譜資源緊張的問題日益嚴(yán)重。根據(jù)我國的頻譜劃分圖，我 們可以看到無線頻譜資源幾乎已經(jīng)分配殆盡，可用頻譜可以說相當(dāng)缺乏，而這將嚴(yán)重阻礙無線通信服務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展。軟件無線電的廣泛應(yīng)用帶來了部分頻段的高效 利用，但是在另外一些頻段(比如電視頻段)頻譜資源卻在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置，給頻譜資源帶來了較大的浪費(fèi)。
 
認(rèn)知無線電的提出
 
FCC的頻譜政策特別小組的調(diào)查與研究表明:任意一個(gè)給定時(shí)刻,人們所用到的頻譜只占可用頻譜資源的2%～6% 。也就是說大量昂貴的頻譜資源都處于閑置狀態(tài),而并沒有得到完全利用。1999年，Joseph Mitola博士提出了認(rèn)知無線電的概念，為利用空閑的頻譜資源提供了一種解決方案。他對(duì)于認(rèn)知無線電是這樣描述的：“無線數(shù)字設(shè)備和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)在無線電資 源和通信方面具有充分的計(jì)算智能來探測(cè)用戶通信需求，并根據(jù)這些需求來提供最適合的無線電資源和無線務(wù)。”
 
認(rèn)知無線電系統(tǒng)工作流程
 
認(rèn)知無線電定義系統(tǒng)可以對(duì)周圍的電磁環(huán)境進(jìn)行掃描監(jiān)視，找出“頻譜空洞”,并根據(jù)“頻譜空洞”特征選取******通信頻率及參數(shù),最終建立起可靠的通信鏈路，在 鏈路建立后仍然繼續(xù)保持監(jiān)測(cè)，一旦有新的用戶接入則自動(dòng)匹配其他信道。因此，在發(fā)射端，通過對(duì)周圍電磁環(huán)境的自主偵察、分析，獲得無線信道傳輸特性,檢測(cè) 周圍信號(hào)的頻譜分布情況,選擇******頻段或******信道并主動(dòng)向接收方發(fā)送通信鏈路建立信號(hào);接收端,對(duì)工作頻段內(nèi)的無線電頻譜進(jìn)行全景搜索，自動(dòng)截獲信號(hào),并 對(duì)其進(jìn)行分析識(shí)別，一旦信號(hào)格式匹配就立即建立起通信鏈路,實(shí)現(xiàn)通信。圖1是簡(jiǎn)單的認(rèn)知無線電系統(tǒng)通信流程。
 
認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)
 
（1）準(zhǔn)確的頻譜感知技術(shù)
 
認(rèn)知用戶相對(duì)授權(quán)用戶具有更低的頻譜接入優(yōu)先權(quán)，而且不能對(duì)授權(quán)用戶造成干擾, 因此，認(rèn)知用戶必須實(shí)時(shí)地檢測(cè)出空閑頻譜及授權(quán)用戶的接入。頻譜感知技術(shù)是CR進(jìn)行通信的基礎(chǔ)和前提，最重要的就是要進(jìn)行頻譜檢測(cè)，即感知并分析特定區(qū)域 的頻段，利用某些特定的技術(shù)和處理，尋找合適的“頻譜空洞”，分析其時(shí)間分布特性、占用帶寬、噪聲電平等信號(hào)特征并反饋至發(fā)送端進(jìn)行頻譜管理和功率控制， 以此確定通信載頻、通信體制、通信參數(shù)和發(fā)射電平。
 
（2）動(dòng)態(tài)的頻譜資源管理技術(shù)
 
授權(quán)用戶可能隨時(shí)接入，因此“頻譜空洞”資源是不確定的，CR用戶一旦接收到授權(quán)用戶信號(hào)，必須立刻做出反應(yīng)。動(dòng)態(tài)的頻譜管理可以提高無線通信的靈活性，使授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶之間避免沖突并公平共享頻譜。
 
（3）自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
 
數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)于認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)利用空閑頻譜進(jìn)行通信非常關(guān)鍵。認(rèn)知無線電可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍, 并且不連續(xù), 因此認(rèn)知無線電數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必需能夠適應(yīng)這一特性。在多載波傳輸技術(shù)中,采用OFDM技術(shù)******選擇，基本思想是將檢測(cè)出的“頻譜空洞”作為多個(gè)OFDM系 統(tǒng)的子載波傳輸數(shù)據(jù)。
 
（4）功率控制技術(shù)
 
采用認(rèn)知無線電技術(shù)的原則是必須保證對(duì)授權(quán)用戶不造成干擾，因此功率控制是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。功率控制的功能主要在發(fā)送端實(shí)現(xiàn)，接收端只需把 檢測(cè)到的信道特征反饋到發(fā)送端由發(fā)送端通過某些策略來實(shí)現(xiàn)功率控制。值得一提的是在多用戶的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知用戶間的互相干擾，因 此，功率控制技術(shù)也是認(rèn)知無線電系統(tǒng)需要攻克的難題之一。
 
認(rèn)知無線電頻譜感知的實(shí)現(xiàn)
 
作為認(rèn)知用戶，必須實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)頻譜變化，以避免與授權(quán)用戶使用發(fā)生沖突，因此頻譜檢測(cè)是認(rèn)知無線電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)之一，頻譜檢測(cè)的精確性和準(zhǔn)確性 直接決定了是否會(huì)影響授權(quán)用戶的正常通信。目前，針對(duì)頻譜檢測(cè)的技術(shù)主要基于三種，物理層檢測(cè)、MAC層檢測(cè)、多用戶協(xié)作檢測(cè)。物理層檢測(cè)關(guān)注如何借助數(shù) 字信號(hào)處理增益實(shí)現(xiàn)高性能的檢測(cè)，分為在授權(quán)用戶的接收端檢測(cè)和發(fā)射端檢測(cè)。在授權(quán)用戶的接收端檢測(cè)復(fù)雜度相對(duì)高，檢測(cè)效率低，在授權(quán)用戶發(fā)送端的檢測(cè)主 要有匹配濾波器檢測(cè)法、能量檢測(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法。MAC層檢測(cè)則關(guān)注多信道條件下的檢測(cè)效率，通過對(duì)信道檢測(cè)次序和檢測(cè)周期優(yōu)化，使檢測(cè)到的可用 信道數(shù)最多，或使信道搜索時(shí)延最短。這兩種方法都是針對(duì)單個(gè)用戶進(jìn)行檢測(cè)的，另外一種就是多用戶協(xié)作檢測(cè)，主要解決了單用戶檢測(cè)可靠性不高的問題，通過多 用戶分集對(duì)抗無線信道衰落，提高檢測(cè)可靠度。
 
1.物理層檢測(cè)
 
（1）接收端檢測(cè)
 
接收端檢測(cè)是認(rèn)知用戶通過檢測(cè)授權(quán)用戶接收端獲取授權(quán)用戶接收端的干擾信息，并利用該信息在滿足授權(quán)用戶干擾約束的前提下充分共享頻譜資源。主要有兩種方 法：一是基于干擾溫度的檢測(cè)，干擾溫度用來表征非授權(quán)用戶在共享頻段內(nèi)對(duì)授權(quán)用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾功率與授權(quán)接收機(jī)處的系統(tǒng)噪聲功率之和，也就是單位帶寬 上的接收功率，該方法是借助授權(quán)用戶接收機(jī)的干擾溫度來量化和管理無線通信環(huán)境中的干擾源，認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾只要控制在干擾溫度門限以內(nèi)，就可以 與授權(quán)用戶同時(shí)使用該頻段。另一種是本振泄漏功率檢測(cè)。該檢測(cè)方式是一種借助射頻前端的本振泄漏功率檢測(cè)授權(quán)用戶接收機(jī)的方法，通過檢測(cè)接收機(jī)中本地振蕩 器在天線段功率的微弱泄漏來檢測(cè)接收機(jī)是否處于工作狀態(tài)，并將信息傳送給認(rèn)知用戶。在不需要授權(quán)用戶參與的情況下， 為了測(cè)量某個(gè)授權(quán)用戶接收端的干擾溫度或者本振泄露，需要在授權(quán)接收用戶附近安置相應(yīng)設(shè)備以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干擾溫度值。
 
（2）發(fā)送端檢測(cè)
 
與接收端檢測(cè)不同的是，發(fā)射端檢測(cè)是基于授權(quán)用戶的發(fā)射端進(jìn)行檢測(cè)的,因此，授權(quán)用戶只有在工作時(shí)才能進(jìn)行檢測(cè)。關(guān)于授權(quán)用戶發(fā)送端檢測(cè)的研究也比較多，主要有三種常用的檢測(cè)方法：匹配濾波器檢測(cè)法、能量檢測(cè)法和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法。
 
匹配濾波器檢測(cè)法是一種比較常用的信號(hào)檢測(cè)方法，當(dāng)認(rèn)知用戶獲得完備的授權(quán)用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)如調(diào)制類型和階數(shù)、脈沖波形和數(shù)據(jù)包格式時(shí)，匹配濾波器檢測(cè) 能使接收信噪比最大，在短時(shí)間內(nèi)完成同步提高信號(hào)的處理增益，是一種******檢測(cè)。但是它要求認(rèn)知用戶掌握每一類授權(quán)用戶的全部先驗(yàn)信息，如果信息不準(zhǔn)確，檢 測(cè)性能將大受影響，并且它是一種相干檢測(cè)法，對(duì)相位同步要求非常高。該檢測(cè)法僅適用于授權(quán)用戶的信號(hào)特征確知的特定場(chǎng)景。
 
能量檢測(cè)法則無需獲知授權(quán)用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)接收信號(hào)的處理也比較簡(jiǎn)單。其原理是信號(hào)在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，先進(jìn)行傅立葉變換得到信號(hào)的頻譜，由于能量 檢測(cè)法的處理增益取決于FFT的點(diǎn)數(shù)N和觀察時(shí)間T，因此可增加FFT的點(diǎn)數(shù)N可以改進(jìn)對(duì)窄帶信號(hào)的頻率分辨率，增加觀察時(shí)間T可以降低噪聲功率，提高信 噪比，得到信號(hào)的頻譜后，開始進(jìn)行峰值檢測(cè)，檢測(cè)出峰值后，再對(duì)信號(hào)頻譜加窗，計(jì)算信號(hào)的能量，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的判決門限對(duì)信號(hào)能量進(jìn)行判決。而這其中也 存在一些問題：一是噪聲的不確定性使檢測(cè)門限的設(shè)置比較困難，不合適的檢測(cè)門限會(huì)將比較微弱的授權(quán)用戶信號(hào)排除在外， 而將幅度較大的脈沖噪聲檢測(cè)為信號(hào)；二是無法區(qū)分調(diào)制信號(hào)、噪聲和干擾，由于頻譜使用的策略只適用于授權(quán)用戶，接收機(jī)無法識(shí)別噪聲和其他感知無線電接收機(jī) 的干擾，這時(shí)能量檢測(cè)的方法就無法檢測(cè)出信號(hào)，比如當(dāng)干擾來自其他認(rèn)知用戶時(shí)，能量檢測(cè)法很可能將這種干擾判定為授權(quán)用戶信號(hào)；三是無法檢測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)， 如直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻信號(hào)。雖然能量檢測(cè)法存在這些問題，但該方法仍然是信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域中使用最為廣泛的一種方法，我們下面頻譜感知模塊的設(shè)計(jì)就是采用 這種方法。
 
循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)利用了調(diào)制信號(hào)在均值和自相關(guān)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)方面具有循環(huán)平穩(wěn)的周期特性而噪聲不具備這一特性而區(qū)分信號(hào)和噪聲的，循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)包 括自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度和譜相關(guān)函數(shù)等。因此該方法可以提取出信號(hào)的載波頻率、符號(hào)速率和調(diào)制類型等典型特征。循環(huán)性平穩(wěn)特性檢測(cè)對(duì)抗噪聲環(huán)境的性能優(yōu) 于能量檢測(cè)，在低信噪比情況下，該方法較為實(shí)用，但由于譜相關(guān)算法所需數(shù)據(jù)樣本較長，計(jì)算量和復(fù)雜度較大，要實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)往往需要較長的檢測(cè)時(shí)間，有時(shí) 不能很好的滿足系統(tǒng)快速準(zhǔn)確檢測(cè)頻譜的需求。
 
2.MAC 層檢測(cè)
 
物理層檢測(cè)技術(shù)關(guān)注的是檢測(cè)算法的靈敏度，而MAC層檢測(cè)則更多關(guān)注的是如何提高檢測(cè)效率。從檢測(cè)策略上來講，MAC 層檢測(cè)可分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)兩種。如果把頻譜資源被分為N條信道，在被動(dòng)檢測(cè)模式下，認(rèn)知用戶只要檢測(cè)到其中一條空閑信道便一直占用該信道通信，在數(shù) 據(jù)傳輸期間不再檢測(cè)其他信道，直至授權(quán)用戶使用該信道時(shí)，才會(huì)進(jìn)行重新檢測(cè)轉(zhuǎn)換，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引入不必要的檢測(cè)開銷，缺點(diǎn)是會(huì)漏掉某些較好的信道，而且一 旦授權(quán)用戶接入，又需重新檢測(cè)，增加了時(shí)延，QoS無法保證；在主動(dòng)檢測(cè)模式下，認(rèn)知用戶在每條信道上均采用獨(dú)立的自適應(yīng)周期檢測(cè)，即使認(rèn)知用戶不需要通 信，也會(huì)進(jìn)行例行檢測(cè)，并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，一旦認(rèn)知用戶需要傳輸數(shù)據(jù)或需要轉(zhuǎn)換信道時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)統(tǒng)計(jì)和概率情況立即建立信道，降低了時(shí)延，但是主動(dòng)檢測(cè) 用于檢測(cè)的帶寬開銷和能量相對(duì)消耗較大。
 
3.多用戶協(xié)作檢測(cè)
 
基于物理層和MAC層的檢測(cè)都是針對(duì)單個(gè)授權(quán)用戶進(jìn)行的檢測(cè)，在實(shí)際無線環(huán)境中，頻譜信號(hào)特征非常復(fù)雜，物理層接收端的檢測(cè)很難檢測(cè)到授權(quán)用戶的弱信號(hào), 另外信號(hào)在傳輸過程會(huì)受到陰影衰落、多徑效應(yīng)等因素的影響，認(rèn)知用戶會(huì)因?yàn)榻邮盏降氖跈?quán)用戶信號(hào)太微弱而誤判為授權(quán)用戶未使用，從而占用該信道而造成對(duì)授 權(quán)用戶的干擾。利用多用戶協(xié)作檢測(cè)，可以減少信道的隨機(jī)性和復(fù)雜性對(duì)結(jié)果的影響。在多用戶協(xié)作檢測(cè)中，每個(gè)認(rèn)知用戶分別將每塊區(qū)域檢測(cè)結(jié)果上傳到中心節(jié) 點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判決。判決規(guī)則一般分為硬判決、軟判決以及混合判決,硬判決和軟判決的區(qū)別主要體現(xiàn)在判決門限的選取上，硬判決依據(jù)單一 假設(shè)進(jìn)行決策，軟判決在置信度測(cè)量基礎(chǔ)上，主要依據(jù)貝葉斯、奈曼-皮爾遜等準(zhǔn)則得到判決門限，混合判決機(jī)制就是硬判決與軟判決的結(jié)合。多用戶協(xié)作檢測(cè)的優(yōu) 點(diǎn)是可以有效對(duì)抗陰影和多徑衰落，提高檢測(cè)性能，缺點(diǎn)是增加了檢測(cè)技術(shù)的難度以及運(yùn)算復(fù)雜度。
 
認(rèn)知無線電的應(yīng)用
 
首先，CR在WLAN系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)該算是比較早的,早在802.11a協(xié)議上,FCC就要求該系統(tǒng)能夠自適應(yīng)測(cè)雷達(dá)信號(hào)避免干擾,現(xiàn)在,基于 IEEE802.11b/g/n協(xié)議的WLAN系統(tǒng)工作在2.4GHz及5GHz等不需授權(quán)的頻段上,這個(gè)頻段可能受到包括藍(lán)牙設(shè)備、微波爐、無繩電話以 及其他一些微功率發(fā)射設(shè)備的干擾。CR可通過對(duì)頻譜的不間斷掃描識(shí)別出干擾信號(hào)，并結(jié)合其獨(dú)有的頻譜感知和資源分配技術(shù)，自適應(yīng)地選擇******的通信信道和調(diào) 整信道占用,進(jìn)一步增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性,最大限度地提高傳輸速率。
 
其次，CR與UWB相結(jié)合的技術(shù)CUWB，被認(rèn)為是當(dāng)今多媒體寬帶無線通信中最有前途的候選方案之一，UWB信號(hào)的超帶寬不可避免地與現(xiàn)有的窄帶無線電業(yè) 務(wù)重疊，因此，UWB與認(rèn)知無線電技術(shù)的結(jié)合具有特殊意義。CUWB主要是利用CR能夠感知周圍的頻譜環(huán)境和UWB系統(tǒng)基于軟件無線電技術(shù)靈活多變的特 性，依據(jù)感知得到的頻譜信息和動(dòng)態(tài)頻譜分配策略自適應(yīng)地構(gòu)建UWB系統(tǒng)的頻譜結(jié)構(gòu)，并生成相應(yīng)的脈沖波形，達(dá)到通信目的。
 
認(rèn)知無線電前景廣泛
 
在軟件無線電發(fā)展的基礎(chǔ)上，認(rèn)知無線電正朝著一種硬件平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化方向發(fā)展，它將是無線電技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)里程碑。對(duì)于頻譜管理者而言, 該技術(shù)可以大大提高頻譜利用率, 有效利用資源；對(duì)于頻譜使用者而言,可以使用較少的頻譜資源獲取最大的通信效果，并且不受干擾；對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)廠商而言，CR技術(shù)可以為其帶來更多的空間和 機(jī)會(huì)；對(duì)于終端用戶而言,可以享受到單個(gè)無線電終端接入多種無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可以使用更多帶寬得到更快的速率。
 
當(dāng)然, 認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展目前還存在一些障礙，一是標(biāo)準(zhǔn)化工作仍在研究中，二是頻譜管理政策沒有完全放開, 三是認(rèn)知無線電自身技術(shù)和靈活性還需要不斷提高，因此，認(rèn)知無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用還存在一定障礙; 雖然由于這些限制, 認(rèn)知無線電近幾年內(nèi)市場(chǎng)不會(huì)很大, 但相信在不久的將來認(rèn)知無線電將會(huì)取得突破性的進(jìn)展, 為無線電資源管理和無線接入市場(chǎng)帶來新的發(fā)展契機(jī)和動(dòng)力。銀行剛性防護(hù)