浅谈认知无线电技术及应用

薛光　孟新春

[摘 要]科技的发展推动无线通信技术的应用领域越来越多，从而使得本不宽松的频谱资源越来越紧张，如何能充分利用有效和寶贵的频谱资源成为一个亟需解决的课题。认知无线电技术是如何对频谱资源进行充分利用的一种新技术，能够在解决这个问题上提供新的思路。文章就认知无线电的关键技术、面临的问题进行了探讨。

[关键词]认知无线电；频谱感知；动态频谱

一、引言

随着科技的发展，无线技术在各个领域都有了飞速的发展，尤其是在通信领域，从而带来的结果是，适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，这也将看似取之不尽的频谱资源却变得无比稀缺。如何将有限的频谱资源最大化利用，成为通信领域研究的一个十分重要的课题。在目前的频谱资源使用中，大多数资源的分配都是静态的，即通过频率规划将固定的频段分配给使用的用户，用户通信只能在有限的频段中选取，以避免对其他用户形成干扰。固定的频谱分配机制大大限制了频谱的使用率，认知无线电技术的提出，为这一问题的解决提供了很好的方法。在无需专门授权的情况下，认知无线电能够借助频谱感知等技术接人已授权频段，实现对无线频谱资源的动态共享，极大地提高频谱利用效率和通信系统性能。

二、认知无线电技术

认知无线电（CR）的概念是Mitola博士于1999年发表文章明确提出来的，即“能够认知无线环境并相应改变其频谱使用方式的系统”。认知无线电以软件无线电为平台，是一种智能的无线通信技术，其核心是通过动态频谱感知来探测未使用的频段，合理占用其中的合适频段，并动态地根据感知环境信息改变频段、发射功率及调制方式等参数，使系统的通信规则与输人的射频激励相适应。确保无论何时何地都可以进行高度可靠的通信和无线频谱的有效利用。

1.频谱感知技术

CR能够感知、适应和学习周围的电磁环境，发现频率空穴，熟知无线信号的特征，并合理利用这些结果，这就是所谓的频谱感知技术，也是CR区别与其他无线电的根本之所在。频谱空穴是如下定义的：频谱空穴是指被分配给某初始授权用户，但在特定时间和具体位置该用户没有使用的频带。CR中的频谱感知包含两个方面，带内检测和带外检测。从用户在工作时必须频繁地对当前工作频段和其他频段进行感知操作，实时的频谱检测也能比较准确地判定射频信号碰撞事件，使认知无线电系统能尽快进行主动退避，避免过多地影响原有授权用户的通信。

2.动态频谱资源分配

目前对于认知无线电的动态频谱分配研究比较多是频谱共享池。频谱共享池的基本思路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，使用无线电礼仪规则来规定各用户之间选择频谱的协商机制，之后进行信道接入。其中包含两种接入方案：具有控制信道的分配和无控制信道的分配。前者是只要频谱池有空闲的子信道，主用户就可选择空闲信道而不中断认知用户的通信：后者是主用户并不考虑认知用户是否占用信道，只要需要就占用原信道。

3.位置感知技术

不同的地理环境对无线电信号的传输会产生不同的影响。比如室内与室外、市区与乡村、山区与平原相比，后者就更适合无线电信号的传输。CR与全球定位系统以及地理信息系统结合，通过自我学习的方法，能够识别出自身所处的地理位置，进而能根据地理环境选择合适的发送频率、调制方式等参数。比如在市区内，由于电磁环境复杂，多径衰落较大，可以采用抗多径衰落较好的OFDM调制。在乡村由于电磁环境优良，可以采用较大的功率，传输更远的距离。

4.链路保持技术

一旦授权用户要再次通信，CR必须要在最短的时间内腾出正在使用的频率，并且还要保证自己的通信不被中断，这就是所谓的CR链路保持技术.国外研究指出，可以采用LT（LubyTransform）编码技术来实现链路保持。LT编码是一种冗余编码，将长度为比特的数据分成k（k=L/I）个输入符号，经过基于MetaoContent的编码就变成了无限长的数据流.接收端只要收到任意K>k个编码符号就可以无失真地还原L个比特的原始数据。

三、需要解决的问题

CR被认为是下下一代通信发展的方向。由于CR技术能够显著提高无线频谱的利用效率，引起了业界的极大重视，近年来得到了快速发展。然而，CR从实验室走向实用还有诸多问题需要解决。其中面临需要解决的主要有两个问题：

1.现阶段认知无线电的技术理论研究很多，涉及的应用领域也很宽，但在各个研究点上分析还不够透彻，有些关键问题虽然已经提出，但是解决方案还不完善；

2.要具体去实现应用无线电技术复杂性高，很多研究只能停留在理论上，R终端设计复杂，需要宽频带、高灵敏度的射频前端，快速高效的数字信号处理算法以及符合军用标准的稳健可靠的软硬件设计；难以建立相应的实验平台进行验证，实际的应用系统就更难以建立。

四、结语

认知无线电的核心思想是使无线通信设备具有发现闲置频谱资源能力，并合理利用资源能力，从而根本上解决日益增长的无线通信需求与有限频谱资源之间的矛盾。但要真正实现CR技术，还要继续研究频谱预测、动态频谱管理及频谱接人方式等关键问题。

参考文献

[1] J.Mitola，Cognitive Radio：AnIntegrated A gentArchitecture for Software Defined Radio[D]，Sweden，KTH Royal Institute of Technology，2000 .

[2] 王斯瑶，付琳.认知无线电技术[J].通信与信息技术，2006.

[3] 王金龙，吴启晖，龚玉萍，等.认知无线网络[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4] 谢显中.感知无线电技术及其应用[M].北京：电子工业出版社.2008.