徐達(dá) 徐湘瑩 王世祺

隨著通信業(yè)務(wù)增加，電磁頻譜資源利用效率亟待提高。認(rèn)知無線電技術(shù)不同于傳統(tǒng)頻譜資源分配模式，結(jié)合人工智能技術(shù)，可以有效提高頻譜資源利用率，緩解頻譜資源緊張現(xiàn)狀，是無線通信技術(shù)的一大進(jìn)步。本文主要分析了認(rèn)知無線電的原理、技術(shù)結(jié)構(gòu)，并就電磁頻譜在認(rèn)知無線電中的應(yīng)用進(jìn)行了討論研究。

一、引言

隨著無線通信業(yè)務(wù)量的增加，電磁頻譜在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，頻譜資源也會變得越來越稀缺。為了有效地緩解這一情況，我們一般在技術(shù)和使用兩個(gè)層面上提高頻譜資源的利用效率，一是提高通信設(shè)備的傳輸效率，如使用MIMO無線技術(shù)；二是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)能力。目前，這兩種方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，但可以預(yù)見的，隨著時(shí)間的推移，這兩種方法可以獲得的，現(xiàn)有領(lǐng)域的頻譜資源利用增益將會日益減少，頻譜資源匱乏的問題也會日益加劇。

不過頻譜使用資源的匱乏并不代表著頻譜資源本身的稀缺，根據(jù)聯(lián)邦通信委員會（FCC）的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前已分配的頻段資源中，3、4GHz頻段的頻譜利用率僅有0.5%，而 4、5GHz頻段的頻譜利用率甚至只有0.3%，極大一部分頻譜資源處于不被使用的空閑狀態(tài)。這種資源的浪費(fèi)，很大程度是由當(dāng)前采取的頻譜固定分配政策所導(dǎo)致，因此區(qū)別于當(dāng)前通用的靜態(tài)頻譜管理體制，開發(fā)出一種智能識別、高效分配、動(dòng)態(tài)管控的頻譜分配策略，是提高頻譜資源利用率的有效手段。

二、認(rèn)知無線電概述

認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）的核心概念是使CR具有學(xué)習(xí)能力，即人工智能，使其可以通過學(xué)習(xí)和記憶，能夠及時(shí)對用頻的情況產(chǎn)生感應(yīng)，自主對選用的頻帶進(jìn)行確認(rèn)，從而有效避免用頻沖突的出現(xiàn)。

環(huán)境感知、適應(yīng)環(huán)境、重新配置、自主運(yùn)行是各種認(rèn)知無線電具有的本質(zhì)特征，所以將認(rèn)知無線電定義如下：認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于主-次分層接入共享模型的智能無線動(dòng)態(tài)通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的各次用戶通過自動(dòng)地感知頻域、時(shí)域、空域以及碼域等多維空間上的頻譜環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，在對主用戶通信不造成干擾的情況下，公平而有效地動(dòng)態(tài)利用可用頻譜資源，并實(shí)時(shí)、自適應(yīng)地調(diào)整工作參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)頻譜的 大化利用，同時(shí)盡量滿足次用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，既實(shí)現(xiàn)高效、可靠通信。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)特殊的動(dòng)態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)，它不僅允許用戶隨時(shí)接入、退出和移動(dòng)，更要考慮頻譜環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，并實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài) 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理。因此，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)涉及的問題非常多而復(fù)雜，不僅能與現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)共存，還應(yīng)該支持固定結(jié)構(gòu)、自組網(wǎng)等多種形式，目前比較通用的一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從水平方向看，該網(wǎng)絡(luò)包括主用戶網(wǎng)和認(rèn)知用戶網(wǎng)兩部分，從垂直方向上看，包括授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段。頻譜中介是必不可少的功能模塊，主要負(fù)責(zé)連接各個(gè)不同的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)各網(wǎng)絡(luò)間理地共享頻譜資源。

三、認(rèn)知無線電的技術(shù)特點(diǎn)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（一）認(rèn)知無線電的架構(gòu)

認(rèn)知無線電主要包括硬件和軟件兩部分。

硬件部分主要包括：安全模塊、調(diào)制解調(diào)器、射頻、天線、基帶和用戶接口等，可以確保信號安全穩(wěn)定接入輸出，并保證信號穩(wěn)定；軟件部分則分為普通軟件系統(tǒng)和智能化軟件系統(tǒng)，其中智能化系統(tǒng)是認(rèn)知無線電的靈魂所在，它通過學(xué)習(xí)和記憶，將無線波段分類分配，使波段資源得到更加充分、更加飽滿的應(yīng)用。

（二）認(rèn)知無線電的技術(shù)特點(diǎn)

認(rèn)知無線電的智能化分配取代原有固額分配，可以保證頻譜資源得到一個(gè)極高的利用率，又不會降低用戶使用頻譜資源的配額和效率，使得頻譜資源的使用進(jìn)入一個(gè)新的層次。

四、頻譜感知技術(shù)在認(rèn)知無線電中運(yùn)用

（一）匹配濾波器檢測的運(yùn)用

匹配濾波器是檢測用戶信號的最理想的檢測器，它的檢測模式是在確定用戶型號的模式下進(jìn)行的，在輸入濾波器信號的信噪比是固定值的前提下，匹配濾波器可以將輸出信號的信噪比控制在最大值，可以在最短時(shí)間獲得最大的效益。而認(rèn)知無線電恰好可以事先保存用戶的調(diào)制形式、數(shù)據(jù)包格式等先驗(yàn)信息，可以滿足匹配濾波器對用戶信息的需求。

不過由于匹配濾波器對于信息的精準(zhǔn)程度要求較高，不精確的信息會造成匹配濾波器的性能更差，因此需要對法定用戶針對性的配備專用接收器，這樣的模式有著一定的局限性。

（二）合作檢測

信號傳遞容易遭受多種因素的影響，當(dāng)信噪比低于門限值時(shí)，認(rèn)知用戶就會很難檢測到法定用戶輸出的信號而造成漏檢，這可能會影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。這種情況下，就需要認(rèn)知用戶互相合作，在同一頻段中協(xié)同檢測，共同完成檢測任務(wù)。

合作檢測一般有分散式檢測和集中式檢測兩種模式。

1. 集中式檢測

集中式檢測是通過基站將所有無線裝置采集的信息集中起來，分析探測，而后將分析結(jié)果廣播到其他無線裝置，或者直接調(diào)控?zé)o線通信。集中式檢測的感知成果也被為AP接入點(diǎn)采集，目的就是降低信道衰落所造成的影響，提升檢測功效。

2. 分散式檢測

單一的檢測器可能存在各種程度的偶然性，因此多點(diǎn)、多設(shè)備的分散式檢測在結(jié)果上會更加的有說服力，同時(shí)也可以降低對檢測設(shè)備的準(zhǔn)確度、精度的需求。在分布式檢測技術(shù)應(yīng)用時(shí)，通常會通過調(diào)整帶寬來獲得更加優(yōu)良的性能。

（三）靜態(tài)循環(huán)特征檢測

用戶信號經(jīng)過處理后，通常會具備內(nèi)在的周期性，具有一定的靜態(tài)循環(huán)的特征，可以通過分析信號譜中的循環(huán)特征，來確認(rèn)信號中是否包括用戶信號。

循環(huán)特征值探測不同于其他探測方式的地方在于，它是通過對信號譜的相關(guān)函數(shù)地進(jìn)行分析，通過區(qū)分噪聲和信號的循環(huán)率在信號譜函數(shù)中的頻譜相關(guān)性的差異，區(qū)分出噪聲和用戶信號，因此它具有很強(qiáng)的抗噪聲干擾能力，可以更加精確的區(qū)分出噪聲信號，同時(shí)，由于循環(huán)特征值探測是針對于信號譜的計(jì)算和分析，所以也不需要事先掌握用戶先驗(yàn)信息；缺點(diǎn)是這種檢測方式需要進(jìn)行大量計(jì)算并花費(fèi)大量時(shí)間，不利于進(jìn)行緊急任務(wù)。

五、結(jié)語

總而言之，頻譜感知技術(shù)是達(dá)到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的重要基石，是現(xiàn)階段認(rèn)知無線電當(dāng)中頻譜感知技術(shù)所探討的焦點(diǎn)話題。雖然還面對著非常大的技術(shù)挑戰(zhàn)，然而伴隨研究的日益深化，堅(jiān)信在不久的未來，認(rèn)知無線電技術(shù)必然逐漸趨向完善，為無線通信帶來全新的發(fā)展動(dòng)力與機(jī)遇。

作者單位：32282部隊(duì)