認(rèn)知無線電技術(shù)及其典型應(yīng)用探討

李玲

【摘要】? ? 隨著互聯(lián)網(wǎng)科技與信息化技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信技術(shù)逐漸實現(xiàn)了在各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用，無線用戶數(shù)量呈幾何式增長，這就造成頻譜資源逐漸捉襟見肘，如何實現(xiàn)這些無線線譜的充分利用，使其滿足當(dāng)前用戶需求已成為一項重大難題。而認(rèn)知無線技術(shù)的應(yīng)用，開辟了新的發(fā)展思路，其提出一種全新形式的頻譜資源利用方式，其主要途徑是讓無線通信設(shè)備具備頻率孔洞發(fā)現(xiàn)能力，進而實現(xiàn)其有效應(yīng)用。文章就認(rèn)知無線電技術(shù)綜述、認(rèn)知無線電技術(shù)典型應(yīng)用進行了論述與分析。

【關(guān)鍵詞】? ? 認(rèn)知無線電技術(shù)? ? 典型應(yīng)用? ? 探討

引言：

無線電頻譜是一種自然資源，頻譜在3000GHz頻段下時，就理論層面來說是無線電頻譜，但是就當(dāng)前階段來說，只應(yīng)用了9KHz至400GHz的頻段。

而通信技術(shù)的發(fā)展以及通信業(yè)務(wù)的復(fù)雜化，使得頻譜資源逐漸緊缺，為解決該項問題，研究人員提出了鏈路自適應(yīng)技術(shù)、天線、編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)等，各項技術(shù)在不同層面拓寬了信道容量，但是受限與香農(nóng)極限，很難去無限制提升信道容量，故而雖然能夠在一定條件下去不斷應(yīng)用同一個無線電頻譜，也會使得在一個頻點與頻段上，造成空域、時域上受到限制，難以進行重復(fù)使用?；诖耍瑧?yīng)用更為先進的認(rèn)知無線電技術(shù)已經(jīng)勢在必行。

一、認(rèn)知無線電技術(shù)綜述

認(rèn)知無線電的核心優(yōu)勢是不需經(jīng)過授權(quán)即可在對應(yīng)用戶工頻頻段進行工作，實現(xiàn)對“閑置”頻譜的二次利用。授權(quán)用戶又稱主用戶，其得到頻率部門合法授權(quán)之后，可在規(guī)定范圍內(nèi)應(yīng)用該頻段對應(yīng)的無限電用戶。此外還存在一種感知用戶，其未按照固定流程得到使用授權(quán)，但是仍可通過一定的途徑實現(xiàn)主用戶頻段有效使用，這即本節(jié)討論的認(rèn)知無線電用戶。

從認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用的整體過程來說，認(rèn)知無線電系統(tǒng)在其中發(fā)揮著檢測、分析、推理與調(diào)整修正的作用，這些功能的實現(xiàn)都需無線電系統(tǒng)對應(yīng)的技術(shù)來實現(xiàn)，應(yīng)用較多的技術(shù)包括：功率控制、頻譜檢測、界定核心功能等。

1.1干擾溫度設(shè)定

干擾溫度設(shè)定主要用于將無線環(huán)境中的諸多干擾問題進行量化并實現(xiàn)其有效管理，而認(rèn)知無線電系統(tǒng)會設(shè)定一個干擾溫度門限，該門限不會影響授權(quán)用戶的日常運行，且有授權(quán)用戶一般運行狀態(tài)時最壞信噪比決定。而非授權(quán)用戶則是被視為一種對授權(quán)用戶的干擾，若是非授權(quán)用戶在應(yīng)用過程中信號積累干擾大于正常溫度門限，此時授權(quán)用戶將難以正常運行。故而干擾溫度設(shè)定是保障授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶共同接入、工作的有效技術(shù)措施[1]。

1.2頻率檢測技術(shù)

頻譜區(qū)域一般會包括白、灰、黑三色，頻譜檢測技術(shù)的應(yīng)用主要是查找白色區(qū)域，其可使得認(rèn)知無線電業(yè)務(wù)正常展開，并對工作頻段在白、黑區(qū)域的轉(zhuǎn)變實施檢測。一般會在接收端測量干擾溫度，尋找頻譜空洞，將獲取信息經(jīng)反饋通道傳向發(fā)送端，以此來控制發(fā)射頻率、管理動態(tài)頻譜。在接收端、發(fā)射端也可選擇波束成型技術(shù)來進行干擾控制補充。此外頻譜檢測技術(shù)還擔(dān)負(fù)著頻譜狀態(tài)在線檢測地任務(wù)，以此來源源不斷的收集對應(yīng)的無線環(huán)境資料，為頻段管理供給數(shù)據(jù)信息[2]。

在應(yīng)用無線電進程中，頻率檢測技術(shù)除了要擔(dān)負(fù)頻率孔洞搜尋與判定工作，還需借助其本身的系統(tǒng)功能去在線檢測通信頻譜狀態(tài)，使其始終處于可控狀態(tài)。

在檢測并收集到對應(yīng)的資料數(shù)據(jù)信息之后，能夠為相應(yīng)的頻譜管理流程提供參數(shù)支持。且在特定環(huán)境下，依靠監(jiān)測頻譜能夠精準(zhǔn)的判定并預(yù)防射頻信號碰撞出現(xiàn)，使得系統(tǒng)可實現(xiàn)主動退避，以此來保證原有授權(quán)用戶的正常通信不受干擾。

CR頻率檢測技術(shù)根據(jù)其本身應(yīng)用方式的不同分為主動式、被動式。

主動檢測指的是CR終端借助射頻前端進行電磁信息采集，以信號處理技術(shù)來進行當(dāng)前環(huán)境下的頻譜使用狀況進行識別與統(tǒng)計;被動檢測值得之通過系統(tǒng)基站實現(xiàn)頻譜分析，其后綜合以往歷年的廣播頻譜信息，讓CR終端可選擇“被動”模式準(zhǔn)確記錄無線頻譜使用情況。

而在設(shè)計系統(tǒng)時，不論是主動式還是被動式，都很難快速發(fā)現(xiàn)弱信號，因此在系統(tǒng)設(shè)計時還會結(jié)合使用頻譜檢測技術(shù)，如此在檢測到弱信號的同時，提升網(wǎng)絡(luò)整體靈活性。

1.3動態(tài)頻譜資源分配

CR網(wǎng)絡(luò)中用戶在可用信道位置與數(shù)量、寬帶需求方面處于一直變化狀態(tài)，出納通形式的無線動態(tài)頻譜分配以及語音形式已經(jīng)逐漸難以滿足需求，此外在分配完全動態(tài)頻譜時會因系列標(biāo)準(zhǔn)、接入?yún)f(xié)議、政策限制，因此在接入動態(tài)頻譜時

主要探究的是頻譜池這一模塊。頻譜池的應(yīng)用思想是將按照一定比例分配給各種業(yè)余的頻譜，再結(jié)合為公共頻譜池，從而在頻譜池上開辟數(shù)個子信道，這些信道就是頻譜分配所屬的基本單元。

頻譜池共享技術(shù)核心問題是如何準(zhǔn)確分類子信道與特定頻譜。通常狀態(tài)下，CR會借助多抽頭奇異值分解算法按照固定的流程、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)來歸類相應(yīng)時間與位置的頻譜狀態(tài)。然而頻譜池并非是一成不變的，其各個頻率成份都是在變化的，如果授權(quán)用戶子信道歸屬于白色區(qū)域、空閑灰色，感知用戶會對干擾用戶的通信產(chǎn)生影響，因此保證檢測過程的可靠性與靈敏性必不可少。

1.4頻率控制、頻譜管理

認(rèn)知無線電可選擇已授權(quán)頻譜資源，但是在應(yīng)用時要保證全過程不會影響正常的用戶通信。為提升頻譜使用率，降低其他因素干擾，需在一定程度上改變頻譜管理思想、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)等，使其基于當(dāng)前通信需求出發(fā)，切實滿足社會需求。

認(rèn)知循環(huán)中，頻譜檢測會獲取若干信息，然后將這部分信息傳遞至發(fā)送端，然后綜合考慮主用戶接收機信號實時本地信噪比，并將其當(dāng)作主用戶、認(rèn)知用戶間存在的距離，再以此為基礎(chǔ)進行認(rèn)知用戶發(fā)射功率調(diào)整，避免其干擾授權(quán)用戶[3]。

二、認(rèn)知無線電技術(shù)典型應(yīng)用

認(rèn)知無線電技術(shù)典型應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下四個方面：

2.1超寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用

超寬帶系統(tǒng)與認(rèn)知無線電技術(shù)前景有著密切關(guān)聯(lián)，其有著低成本、低能耗、抗多徑能力強、大容量、高傳輸速率等特征與優(yōu)勢，其信號波形在多個頻域分布，與頻率使用權(quán)本身的窄帶無線電系統(tǒng)發(fā)生重疊似乎無可避免，如此讓其兼容、共存成為難點問題，很多專業(yè)研究人員開始嘗試?yán)谜J(rèn)知無線電技術(shù)來解決該項問題。

部分專家提出以多頻帶OFDM-UWB方案來搭配頻率檢測技術(shù)進行應(yīng)用，其可對窄帶干擾形成抑制，使得其他部分的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)共存，改善共享難題，提升傳輸頻率與超寬帶系統(tǒng)性能。

2.2在Mesh網(wǎng)中的應(yīng)用

無線Mesh網(wǎng)是一種全新形式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其具備無線多跳一樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點都能進行信息發(fā)送與接收，所有節(jié)點都能找到對應(yīng)的1個或多個對等節(jié)點實現(xiàn)通信，有著成本低、隨時接入的優(yōu)勢。

但是網(wǎng)絡(luò)密度在發(fā)展過程中逐漸增大，服務(wù)要求更多的吞吐量，故而無線Mesh網(wǎng)對于處理能力有了更大的需求，而利用頻率檢測技術(shù)可強化頻譜利用，且其與無線Mesh網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用能夠在人口即為稠密的城市實現(xiàn)無線寬度接入。而當(dāng)無線Mesh網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)由固定中繼點、認(rèn)知接入點組成，Mesh網(wǎng)將會有更為廣闊的覆蓋范圍[4]。

2.3在WRAN中的應(yīng)用

IEEE802.22出現(xiàn)在2004年，其后經(jīng)過不斷的完善與優(yōu)化，形成無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（即WRAN）。選擇頻率檢測技術(shù)能夠在寬帶接入通道廣泛的應(yīng)用廣播、電視VHF/UHF頻帶。此外依靠802.22系統(tǒng)，點至多點無線空中接口得以進一步規(guī)范，應(yīng)用效果得以提升，通過CR基站有效管理區(qū)域內(nèi)的認(rèn)知用戶。

這部分認(rèn)知用戶能夠在使用TV頻道掃描之后，進行對應(yīng)的資源監(jiān)測，將頻道占用信息輸送到基站，讓基站以此為導(dǎo)向動態(tài)化管理相應(yīng)的頻譜資源。

但是以CR頻率監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)的WRAN還存在著以下難題等待解決：

其一，WRAN本身需更高自適應(yīng)性與靈活性的接口;

其二，為實現(xiàn)共存，應(yīng)配備對應(yīng)的MAC層、物理層控制機制，使得基站可通過授權(quán)用戶頻譜感知實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)頻率、功率的動態(tài)調(diào)整，使其避免受到干擾;

其三，為避免出現(xiàn)或高效解決可能出現(xiàn)的重疊覆蓋、排列覆蓋問題，進行有效的頻率共享，要求認(rèn)知無線電系統(tǒng)能夠結(jié)界能夠協(xié)調(diào)好各個基站間的工作模式，使其能夠在不沖突的環(huán)境下保持緊密合作。

2.4在WLAN中的應(yīng)用

以IEEE802.11a與IEEE802.11b/g為基礎(chǔ)的無線局域網(wǎng)設(shè)備在5.8GHz與2.4GHz不需經(jīng)過授權(quán)的相應(yīng)頻段上工作。在該頻段，有一定機率受到無繩電話、微波爐、HomeRF設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備與其他形式工業(yè)設(shè)備的影響。無線局域網(wǎng)具備認(rèn)知功能，可借助接入點來持續(xù)性的掃描頻譜，識別出潛在的各種干擾信號，并綜合考慮其他信道歷史通信環(huán)境，給予對質(zhì)量的認(rèn)知來選擇出最適宜的通信信道。且接入點在具備認(rèn)知功能時，除了可進行持續(xù)性的通信業(yè)務(wù)外，還可在認(rèn)知模塊對相應(yīng)的工作頻段甚至與更高頻段掃描分析，以此來挖掘出各種非法惡意攻擊終端，進而提升網(wǎng)絡(luò)通信的安全性與功能性[5]。

三、結(jié)語

綜述，文章就認(rèn)知無線電技術(shù)及典型應(yīng)用進行了分析與論述，強調(diào)了其對于解決當(dāng)前頻譜資源短缺問題的重要性，因此要求相關(guān)技術(shù)人員能夠給予其足夠的重視，探究該技術(shù)的主要應(yīng)用特點、條件，使其能夠以適宜的方式實現(xiàn)在無線電通信中的應(yīng)用，并對應(yīng)用效果與反饋進行總結(jié)與分析，從而對該技術(shù)的應(yīng)用方式進行不斷的調(diào)整與優(yōu)化，以此來發(fā)揮出其最大功效。

參? 考? 文? 獻

[1]武秀廣，宋旭，任培明.認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2018，（2）：63-66.

[2]王建波，田春明，林本浩.認(rèn)知無線電技術(shù)、應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化進展[C].全國無線電應(yīng)用與管理學(xué)術(shù)會議，2018，（9）：56.

[3]黨建武，李翠然，謝健驪.認(rèn)知無線電技術(shù)與應(yīng)用#：#Cognitive radio technology and application[M].清華大學(xué)出版社，2019，（3）：55.

[4]郭彩麗，張?zhí)炜久竦?一種新的頻譜共享技術(shù)——認(rèn)知無線電技術(shù)及其應(yīng)用[C].中國科協(xié)年會，2018，（11）：23.

[5]宗平，劉柳，喬秀泉.認(rèn)知無線電技術(shù)在ZigBee中的應(yīng)用研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展， 2019，22（8）：241-244.