什么是“认知无线电（CR）” 技术？

    认知无线电（cognitive radio）简称CR。1999年8月，由Joseph Mitlola博士和Gerald Q Maguire,JR教授率先提出，两位先驱者为CR的技术做了奠基性的工作。到了2005年，Simon Haykin发表了迄今为止CR理论中最为代表性的文章cognitive radio：brain-empowered wireless communications，这篇文章结合了前人的发现和研究，再结合自己的理论，赋予了比较形象的定义——认知无线电：智能授权的无线通讯。美国FCC（美国联邦通信管理委员会）根据之前CR的介绍，提出更为简化的描述——任何具有自适应频谱意识的无线电都可以成为认知无线电。同时FCC把CR定义为基于与操作环境的交互，能动态改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能，这样的无线电就是认知无线电。

    现在通讯行业都面临着一个同样的难题——那就是频谱资源紧张。根据NOKIA research center（诺基亚研究中心）的调查报告中表示：频谱资源是非常宝贵的资源，相对应与广播电视、紧急应用、卫星、特殊应用来说，移动通讯拥有的频谱资源少，负荷大，而其他的呢，在非使用时，频谱资源处于一个闲置状态，这就造成了，频谱资源的浪费和局部拥挤等现象。而认知无线电技术在这一方面拥有非常良好的表现。

现状（图片来源于NOKIA research center）

使用认知无线电技术之后（图片来源于NOKIA research center）

    认知无线电能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户的出现，能够自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。无线电环境中的无线信道和干扰是随时间变化的，认知无线电通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有线的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配和频谱共享。

    认知无线电的关键技术有：

    1、 频谱检测技术；

    2、 自适应频谱分配技术。

    其中自适应频谱分配技术又包括：载波分配技术，子载波功率控制技术，复合自适应传输技术。

    与此相关的标准也随着这项技术的诞生而开始发展起来，2003年FCC在其规则第15章公布了修正案，2004年第一个基于认知无线电的工作组成立IEEE 802.22，现在较新的标准为IEEE 802.22.2。在IEEE 802.22系统中，为了实现对授权用户保护，提出工作信道内和工作信道内感知机制。工作信道内感知，BS分配静默期。在静默期内，BS和CPE都不发送数据，感知小区内授权用户信号。工作信道内采用两段式感知（TSS）机制，在快速感知阶段，通常采用单一的感知方法（如能量检测、导频信号能量检测），迅速感知是否存在授权用户。这个过程通常在微秒级，参考IEEE 802.11b中20µs、IEEE 802.11a中9µs。在精细感知阶段，获知已捕获的授权用户的详细信息。这个过程通常在毫秒级，如检测ATSC信号的同步字段需要24ms。工作信道外感知，CPE利用独立的感知天线，可以同时感知工作信道外。

    常用的信号检测方法有能量检测法、相关检测法、周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法等。能量检测法由于收到检测门限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知阶段。相关检测法是利用事先插入的导频或同步序列，与已知的本地序列相关，这个方法本质上还是能量检测。周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法属于特征检测。周期图法是利用傅里叶变换来获得信号的功率谱密度，实现算法可以利用快速傅里叶变换，便于实现。特征值分解检测法利用信号和噪声的不相关，把接收信号分解为信号和噪声的估计量。循环平稳检测法利用调制信号的相关函数的周期性，进行感知。特征值分解检测法、循环平稳检测法两种算法计算较复杂。

    对应于802.22系统的具体应用环境，系统提出了两个关键参数，对感知技术进行规范。IEEE802.22系统中规定信道检测时间（CDT）和授权用户感知门限（IDT）。对应VHF/UHF频段内的两类授权用户，信道检测时间定义为≤2s。对于200KHz无线麦克风，授权用户感知门限为-107dBm；而对应6MHz的电视服务，授权用户感知门限为-116dBm。

    信道检测时间是指在WRAN系统正常工作时，用来检测在当前TV信道内是否有感知门限之上的所花费最大时间，在检测概率大于90%的情况下，这个时间约为500ms～2s。当联合多个CPE共同感知时，可以缩短感知时间，也可以保证较高的感知正确率。联合感知技术是工程上实现感知技术参数的配置算法，合理的配置了小区内的CPE资源。

    自适应频谱分配技术中：

    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。

    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。

    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。

    在本文中我们主要介绍了CR的一些基本知识和技术，在下一篇文章中，我们将讨论一个比较新的话题，认知无线电与RFID的结合，请您保持对摩尔实验室（MORLAB）的关注，我们将与您一起探讨和研究新的技术。

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