认知无线电技术

Junius

认知无线电技术
1 认知无线电技术提出的背景
      随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务(如电视广播业务等)需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段(LFB)以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多(大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用)。而相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。因此，可以得出这样的结论：基于目前的频谱资源分配方法，有相当一部分频谱资源的利用率是很低的。
      为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。为此，人们提出了认知无线电的概念。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机(Opportunistic Way)”的方式工作在已授权的频段内。当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。
      当非授权通信用户通过“借用”的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证他的通信不会影响到其他已授权用户的通信。要做到这一点，非授权用户必须按照一定的规则来使用所发现的“频谱空洞”。在认知无线电中，这样的规则是以某种机器可理解的形式(如XML语言)加载到通信终端上。由于这些规则可以随时根据频谱的利用情况、通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，因此通过这些规则，频谱管理者就能以更为灵活的方式来管理宝贵的频谱资源。
2 认知无线电的历史和概念
      从以上介绍可以看出，为了提高频谱利用率，可以充分利用检测到的“频谱空洞”。这是认知无线电技术的一项应用。但是，作为一个全新概念提出的认知无线电，其涵盖面则更为广泛。认知无线电的基本定义可归纳为[1]：认知无线电(Cognitive Radio)是可以感知外界通信环境的智能通信系统。认知无线电系统通过学习，不断地感知外界的环境变化，并通过自适应地调整其自身内部的通信机理来达到对环境变化的适应。这样的自适应调整一方面是为了改进系统的稳定性，另一方面是为了提高频谱资源的利用率。由此可以总结出认知无线电所具有的特点是：
•        对环境的感知能力
•        对环境变化的学习能力
•        对环境变化的自适应性
•        通信质量的高可靠性
•        对频谱资源的充分利用
•        系统功能模块的可重构性
      认知无线电是由MITRE公司的顾问、瑞典皇家技术学院Joseph Mitola博士生和GERALD Q MAGUIRE, JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的[2]，是对软件无线电的进一步的扩展。认知无线电采用无线电域的基于模型的方法对控制无线电频谱使用的规则(如射频频段、空中接口、协议以及空间和时间模式等)进行推理，通过无线电知识表示语言(RKRL)[3]，表述无线电规则、设备、软件模块、电波传播特性、网络、用户需求和应用场景的知识，以增强个人业务的灵活性，使软件无线电技术能更好地满足用户需求。
      尽管没有成熟的认知无线电的标准和法规，但无线业界的强烈感觉是认知无线电将成为下一波有冲击性的技术革新浪潮。IEEE于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作组——无线区域网络(WRAN)工作组，计划2007年下半年完成标准化工作。其目的是研究基于认知无线电的物理层、媒体访问控制(MAC)层和空中接口，以无干扰的方式使用已分配给电视广播的频段。将分配给电视广播的甚高频/超高频(VHF/UHF)频带(北美为54 MHz～862 MHz)的频率用作为宽带接入频段。
      美国联邦通信委员会(FCC)2003年12月就相当于美国《电波法》的《FCC规则第15章(FCC rulePart15)》，公布了修正案，明确只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带。FCC在推进智能无线技术的同时还将放宽有关限制。
针对认知无线电，美国国防部提出下一代无线通信(XG)的项目，2004年该项目进入第三个研究阶段，投资1 700万美元，预计在2006年底完成第三阶段的研究。该项目将研制和开发频谱捷变无线电(Spectrum Agile Radios)，这些无线电台在使用法规的范围内，可以动态自适应变化的无线环境，在不干扰其他正常工作无线电台的前提下，可以使接入的频谱范围扩大近10倍。
3 认知无线电的应用场景
      考虑一个工作在非授权频段(如免授权国家信息基础设施频段)的无线通信终端(遵循Wi-Fi规范)。在其工作的免授权国家信息基础设施(U-NII)频段，通信业务非常繁忙(近乎达到饱和状态)。这样的工作频段已无法满足其他通信终端新的业务请求。鉴于这种情况，频谱管理机构(如FCC)将选择利用率较低的其他已授权频段(如电视广播频段中若干未被使用的频谱资源)。这样的频段可以被暂时用来支持非授权频段上那些未能接入其系统的通信业务。为此，频谱管理机构将生成一套使用已授权频段的法规(这些法规将指导并约束着非授权用户去合理地使用授权频段)。这些法规由频谱管理机构以某种机器可以理解的方式发布。
      具有认知无线电功能的非授权用户定期地搜索并下载相应的频谱使用法规。获得最新的频谱使用法规之后，非授权用户将根据这些法规，对自身的通信机制进行调整(通信机制可能包括：工作的频段、发射功率、调制解调方式以及多址接入策略等)。为了使周边的通信终端尽快获得更新了的法规，获得最新法规的终端还将其所获得的法规广播出去。当然，对那些不具备认知无线电能力的通信终端来说，这样的广播信息将被忽略。
      对于具有认知能力的通信终端，除了获得最新的频谱使用规则外，另外一项很重要的工作就是完成对“频谱空洞”的检测。对“频谱空洞”的检测实际上就是完成对周边通信环境的认知。根据检测到的“频谱空洞”的特性(如“空洞”的带宽等)和获得的频谱使用法规，通信终端产生出合理使用该“空洞”的具体行为。
      以工作在非授权频段的无线局域网通信终端为例，可以说明认知无线电的可能的应用场景。当然，从认知无线电的定义可以看出认知无线电的概念涵盖面极宽，其应用场景绝不仅限于此。
      认知无线电技术在宽带无线通信系统中有着广泛的用途。基于IEEE 802.11b/g和IEEE 802.11a的无线局域网设备工作在2.4 GHz和5 GHz的不需授权的频段上。然而在这个频段上，可能受到包括蓝牙设备、HomeRF设备、微波炉、无绳电话以及其他一些工业设备的干扰。具有认知功能的无线局域网可以通过接入点对频谱的不间断扫描，从而识别出可能的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，自适应地选择最佳的通信信道。另外，具有认知功能的接入点，在不间断正常通信业务进行的同时，通过认知模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，从而可以尽快地发现非法的恶意攻击终端。这样的技术可以进一步增强通信网络的安全性。同样，将这样的认知技术应用在其他类型的宽带无线通信网络中也会进一步提高系统的性能和安全性。
4 认知无线电的关键技术
4.1 频谱检测技术
      认知无线电技术能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的“频谱空洞”，利用某些特定的技术和处理，在不影响已有通信系统的前提下进行工作。因而，从认知无线电工作流程上可以看到(如图1所示)，为了在某个地域上应用认知无线电技术，最先进行的工作是对该地无线信道环境的感知，即频谱检测和“空洞”搜寻与判定。

      如果将待查的频段分为3种不同的情况：黑空，存在高功率的干扰；灰空，存在低功率的干扰；白空：仅存在环境噪声量，包括热噪声、瞬时反射、脉冲噪声等。那么频谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的白空，同时对工作频段在黑空(或灰空)和白空之间的转变进行监测。
      在认知无线电技术中，进行频谱检测即对所观察的频段进行干扰温度的估计。干扰温度可以看作是频段内的干扰功率谱密度，它的设定是用来量化和管理无线环境中的干扰问题。针对经过谱估计得到的干扰温度，可以给出干扰温度界限。通过干扰温度界限可以对观测的“频谱空洞”进行选择，超过界限的干扰或其他噪声都是不符合通信要求的频谱。
      通常在接收端进行干扰温度的测量，并搜寻“频谱空洞”，将获得的信息通过系统预设的反馈信道传送至发送端，并据此进行发射功率控制处理和动态频谱管理；在发射端和接收端也可以采用自适应的波束成型技术，进一步补充的干扰控制。
      在认知无线电感知无线环境的工作中，如何进行高效的无线频谱估计和分析是关键技术之一。频谱分析是一项相对比较成熟的数字信号处理技术，经过了多年的发展，形成了众多各具特色的算法和理论。在认知无线电技术中，可以利用这些已有的算法进行无线环境的观测。当然，由于认知无线电的特殊性质，需要在一定通信区域空间领域、较宽的频域、以及时域进行频谱分析，这就要求对众多频谱分析算法进行合适的选取和改动。
      认知无线电技术中通常采用的频谱分析算法是多窗谱估计算法。该算法使用多个离散扁球体序列作为正交窗函数。经过这种窗函数滤波后的信号在有限采样点时的傅氏变换具有极佳的能量集中特性，是一种接近最优的方法。这种特性使得在降低频谱估计的方差时不会影响估计的偏差，因而具有较好的计算性能和应用价值。
      在认知无线电领域进行干扰温度估计时，为了能够更好地感知待测区域内的干扰温度，在频谱分析算法中引入了空间的概念，通常会用大量的传感器分布在该区域内，进行无线信号的接收。这些传感器可以是指专门设置的接收天线，也可以是认知无线电系统的各个无线用户终端。通过这些传感器进行无线环境的探测，可以区分无线信号在空间上的不同和差异。针对来自多个传感器测量得到的多组接收信号，经过恰当的频谱分析算法，即可得到对应于特定空间、时间和频段的干扰温度估计值。将该干扰温度估计量和设定的干扰温度门限比较，若在连续的几个时段内均小于门限要求，即可认为出现了“频谱空洞”。
      在认知无线电中，频谱检测技术不仅仅在“频谱空洞”的搜寻和判定中起关键作用，在系统的通信过程中，它还需要负责频谱状态的实时监测。对频谱的监测一方面可以搜集无线环境的统计资料，为高层的频谱管理提供辅助；另一方面进行的实时干扰温度估计为系统的发射端进行功率控制提供必要的参数支持。在某些情况下，监测频谱也能够比较准确地判定射频信号碰撞事件，使认知无线电系统能够尽快进行主动退避，避免过多地影响原有授权用户的通信。
4.2 自适应频谱资源分配技术
      为了解决频谱资源的日益紧张和目前固定分配频谱利用率较低的矛盾，就要求找到更有效的方法来充分感知和利用无线频谱资源。基本途径有两条：其一，提高频谱利用率，将已授权用户的频谱资源充分利用，减少浪费；其二，提高系统通信效率，将已获得的频率资源和其他资源综合优化分配，进而提高利用率。
      由于正交频分复用(OFDM)系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式，该调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率、空间等资源，自适应频谱资源分配的关键技术主要有：载波分配技术、子载波功率控制技术、复合自适应传输技术。
      (1)载波分配技术
      认知无线电具有感知无线环境的能力。通过对干扰温度的测量，可以确定“频谱空洞”。子载波分配就是根据用户的业务和服务质量要求，分配一定数量的频率资源。检测到的“空洞”资源是不确定的，带有一定的随机性。OFDM系统具有裁剪功能，通过子载波(子带)的分配，将一些不规律和不连续的频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，实现资源的合理分配和利用。
      (2)子载波功率控制技术
      认知无线电中利用已授权频谱资源的前提是不影响授权用户的正常通信。为此，非授权用户必须控制其发射功率，避免给其他授权用户造成干扰。功率控制算法在经典的“注水”算法的基础上，有一系列的派生算法。这些算法追求的是功率控制的完备性和收敛性，既要不造成干扰又要使认知无线电有较好的通过率，且达到实时性的要求。事实上功率控制算法和子载波分配算法是密不可分的。这是因为在判断某子载波是否可以使用时，就要对其历史(授权状况)和现状(空间距离、衰落)做出判断，同时还需要计算出可分配的功率大小。
      (3)复合自适应传输技术
      该技术将OFDM和认知无线电思想以及一系列自适应传输技术结合，从而达到无线电资源的合理分配和充分利用。为了寻求保证服务质量和最大通过率下的最佳工作状态，需综合应用动态子载波分配技术、自适应子载波的功率分配技术、自适应调制解调技术以及自适应编码技术等一系列自适应技术，形成优化的自适应算法。根据子载波的干扰温度，通过自适应地调整通信终端的工作参数，从而达到最佳工作状态。设计合理的自适应传输技术可以大幅提高频谱资源利用率和通信性能。
4.3 认知无线电下的频谱管理
      具有认知无线电功能的无线用户在非授权状况下使用频率，必将引起无线电管理部门的注意，并且必定会力求将这种对频率的使用纳入其管理之下。从提高频谱利用效率的角度出发，不应该压制基于认知功能的非授权频谱使用。好的解决方法是改变频谱管理思想和频谱管理规则，使其适应用户的需求和技术的发展。
      有研究者提出对频谱划分的新设想：依照频谱应用状况以及干扰的影响，对频谱划分3个等级：严格分配管理(不可干扰)、在一定程度上可供非授权使用(可有一定干扰)、无限制的非授权使用。在现阶段，绝大多数频谱为第一等级，即按照严格分配来进行管理，因而频谱利用率较低。新的频谱管理思想和规则应该使第一等级频谱所占的范围缩小，第二和第三等级频谱所占的范围扩大，以此来提高频谱利用率。这样将频谱分为3部分，第一部分非授权用户不可占用，第二部分可适当占用，第三部分可以不受限制占用。第二和第三部分是认知无线电可利用的频谱。目前各种基于认知无线电的频谱管理思想和管理规则仍在研究之中。
5 结束语
      认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用所发现的“空洞”的能力。值得指出的是认知无线电技术不但引起了学术界的相当关注，工业界对如何将其应用于实际通信系统也产生了浓厚的兴趣。有报道称具有认知功能的无线局域网产品将在近一两年内问世。但是要真正实现认知无线电技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术问题。