基于認知無線電的高效頻譜利用技術介紹

2 認知無線電概述
瑞典皇家技術學院的J Mitola于1999年在軟件無線電的基礎上，提出了認知無線電（CR，Cognitive Radio）的概念，希望利用這種新的技術，靈活有效地動態管理頻譜資源的使用，提高頻率的利用率。CR從定義上講是一種智能無線通信系統，它能感知周圍環境，運用“理解—構建”的方法從周圍環境中獲取信息，并通過實時改變諸如傳輸功率、載頻、調制方式等傳輸參數來適應運行環境的變化。從原理上講，CR能夠通過對它所工作的無線通信環境的交互感知而自動改變自身的發送和接入參數，動態地重復使用可用頻譜。這種交互感知包括被動的頻譜感知或者是基于認知無線電本身的只能學習推理能力與其他頻譜用戶進行主動通信和協商的過程。通過優化自主調節自身的發射與接收特性以適應周圍的無線環境，CR的無線鏈路層和網絡層能以最優化的方式在有限的信號空間中有效的傳輸信息，為日益擁擠的無線通信系統和設備實現頻譜資源的高效利用，共存、兼容和互動的展現了美好的前景。
學術界和IEEE標準化組織越來越對CR技術感興趣，并將其稱為未來無線通信領域的“下一個大事件”。

3 認知無線電高效利用頻譜的關鍵技術
CR的最終目標是通過頻譜感知，頻譜管理與共享而獲得最佳的可用頻譜。由于多數頻譜已經被分配掉了，因此最大的挑戰就是如何與法定用戶共享頻譜而不對其產生干擾。CR對暫時沒有被利用的頻譜稱為頻譜孔或空白段，如果這一頻段隨后被法定用戶使用了，那么CR視具體情況，或轉移到另外一個頻譜孔，或繼續使用這段頻段。
3。1 頻譜感知
認知無線電能夠靈敏感知周圍環境的變化，通過頻譜感知功能發現頻譜孔，使其與周圍通信環境相適應。由于第一用戶網絡沒有義務改變它的結構與CR網絡共享頻譜，因此CR只能獨立地、可靠地通過連續的頻譜感知對法定用戶進行探測，這是認知無線電的一項核心功能。最有效的探測方法就是探測在它通信范圍內的，正在接受數據的法定用定。在這里，法定用戶也可以被稱為第一用戶，此時CR用戶就相應地被稱為第二用戶。
在進行探測時，不同類的第一用戶具有不同的感知靈敏度要求，比如電視接收器的靈敏度比GPS接收機的靈敏度差，電視廣播信號比GPS信號容易探測得到。因此，CR的靈敏度應超過第一用戶接收機的靈敏度，以避免隱蔽終端問題。這是頻譜感知十分具有挑戰性的關鍵原因，既要滿足每一類第一用戶的靈敏度要求并且要有額外的30～40db的余量，需要如此余量的原因在于: CR很難對第一用戶的發射機和接收機之間的信道進行測量，只能根據對第一用戶的發射機的探測所作出的本地信道情況的測量而定。
由于無線電環境是隨時變化的，同時也因為第一用戶種類的不同，傳播損失的不同、干擾等因素，頻譜感知功能的實現需要CR高度的靈活性。在設計方面最主要的挑戰性來自于如何定義射頻結構，使其在線性、抽樣頻率、準確性和功率等方面達成折中平衡。這樣，數字信號處理的技術就可以應用到感知功能中去，這也推動了信號處理方面的研究，以降低對于大寬帶情景下的模擬期間尤其是寬帶放大器，混頻器和模數轉換器的挑戰性要求。
總的來講，頻譜感知技術可以歸納為對發射機探測，合作探測和基于干擾的探測，如圖1所示。

圖1 頻譜感知技術的分類

3。2 頻譜管理
認知無線電通過頻譜感知功能探測到的未被使用的頻帶可能分散在包括許可頻帶和非許可頻帶的很廣的頻域上，它們具有不同的諸如中心頻率、帶寬等動態頻譜特征，并且能被使用的時間也不同。因此，頻譜管理最主要的問題是設計一個有效的、高效的利用頻譜的自適應策略。比如，假設存在一組可用頻譜孔，動態頻譜管理在CR不能達到用戶要求（如滿足不了FER要求）的情況下，能夠選擇一個更有效的調制策略或者選擇另外一個可用的頻譜孔來提高通信的可靠性，主要包括頻譜分析和頻譜判決兩個方面。首先通過頻譜分析，歸納出在CR網絡中可用頻譜孔在不同時間段內具有的頻譜特征，一旦所有的可用頻譜特性被分析出來，CR應根據QoS的要求，為當前的傳輸選擇適當的運行頻段。