基于认知无线电的高效频谱利用技术

　　1 引言

　　无线频谱是一种珍贵的自然资源，它的分配利用通常是由无线电法规部门确定的。目前世界各国采用的是基于静态（固定）频带分配的原则与方案。一个频段一般仅供一个无线通信系统独立使用，不同的无线通信系统使用不同的频段，互不干扰，这种静态的无线频谱管理方式简单而有效地避免了不同无线通信系统间的相互干扰。然而这也使得当前频谱资源日趋缺乏。2002年11月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了一项由Spectrum-Policy Task Force提交的旨在有效管理美国频谱资源的报告。该报告明确指出：“在许多频带，频谱的准入是一个比频谱本身稀缺更加重要的问题，很大程度上由于法规限制了这些频谱上的潜在用户获得准入。”事实确实如此，美国Shared spectrum公司在2004年1月到2005年8月间，对美国30――300000MHZ频段的频谱使用情况调查发现该频段的平均利用率只有5.2％，其中使用率最高的地区纽约仅为13.1％，使用率最低的是分配给无线电天文学的频段，利用率仅有1％。可见拥塞频段的用户无法访问其他空闲频段的静态频谱管理的问题，大大限制了频谱使用率。为此，提高频谱利用率，便成为人们日益关注的问题。

　　2 认知无线电概述

　　瑞典皇家技术学院的J Mitola于1999年在软件无线电的基础上，提出了认知无线电（CR，Cognitive Radio）的概念，希望利用这种新的技术，灵活有效地动态管理频谱资源的使用，提高频率的利用率。CR从定义上讲是一种智能无线通信系统，它能感知周围环境，运用“理解—构建”的方法从周围环境中获取信息，并通过实时改变诸如传输功率、载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化。从原理上讲，CR能够通过对它所工作的无线通信环境的交互感知而自动改变自身的发送和接入参数，动态地重复使用可用频谱。这种交互感知包括被动的频谱感知或者是基于认知无线电本身的只能学习推理能力与其他频谱用户进行主动通信和协商的过程。通过优化自主调节自身的发射与接收特性以适应周围的无线环境，CR的无线链路层和网络层能以最优化的方式在有限的信号空间中有效的传输信息，为日益拥挤的无线通信系统和设备实现频谱资源的高效利用，共存、兼容和互动的展现了美好的前景。

　　学术界和IEEE标准化组织越来越对CR技术感兴趣，并将其称为未来无线通信领域的“下一个大事件”。

　　3 认知无线电高效利用频谱的关键技术

　　CR的最终目标是通过频谱感知，频谱管理与共享而获得最佳的可用频谱。由于多数频谱已经被分配掉了，因此最大的挑战就是如何与法定用户共享频谱而不对其产生干扰。CR对暂时没有被利用的频谱称为频谱孔或空白段，如果这一频段随后被法定用户使用了，那么CR视具体情况，或转移到另外一个频谱孔，或继续使用这段频段。

　　3。1 频谱感知

　　认知无线电能够灵敏感知周围环境的变化，通过频谱感知功能发现频谱孔，使其与周围通信环境相适应。由于第一用户网络没有义务改变它的结构与CR网络共享频谱，因此CR只能独立地、可靠地通过连续的频谱感知对法定用户进行探测，这是认知无线电的一项核心功能。最有效的探测方法就是探测在它通信范围内的，正在接受数据的法定用定。在这里，法定用户也可以被称为第一用户，此时CR用户就相应地被称为第二用户。

　　在进行探测时，不同类的第一用户具有不同的感知灵敏度要求，比如电视接收器的灵敏度比GPS接收机的灵敏度差，电视广播信号比GPS信号容易探测得到。因此，CR的灵敏度应超过第一用户接收机的灵敏度，以避免隐蔽终端问题。这是频谱感知十分具有挑战性的关键原因，既要满足每一类第一用户的灵敏度要求并且要有额外的30～40db的余量，需要如此余量的原因在于: CR很难对第一用户的发射机和接收机之间的信道进行测量，只能根据对第一用户的发射机的探测所作出的本地信道情况的测量而定。

　　由于无线电环境是随时变化的，同时也因为第一用户种类的不同，传播损失的不同、干扰等因素，频谱感知功能的实现需要CR高度的灵活性。在设计方面最主要的挑战性来自于如何定义射频结构，使其在线性、抽样频率、准确性和功率等方面达成折中平衡。这样，数字信号处理的技术就可以应用到感知功能中去，这也推动了信号处理方面的研究，以降低对于大宽带情景下的模拟期间尤其是宽带放大器，混频器和模数转换器的挑战性要求。

　　总的来讲，频谱感知技术可以归纳为对发射机探测，合作探测和基于干扰的探测，如图1所示。

　　图1 频谱感知技术的分类

　　3。2 频谱管理

认知无线电通过频谱感知功能探测到的未被使用的频带可能分散在包括许可频带和非许可频带的很广的频