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认知无线电关键技术及应用的研究现状1
郭彩丽,张天魁,曾志民,冯春燕
北京邮电大学通信网络综合技术研究所（100876）
Email:caili_guo7@https://www.doczj.com/doc/636255947.html,
摘 要：归纳了认知无线电功能的演进，讨论了其相关频谱政策和标准化工作的进展，并重点对频谱侦听和主用户检测、动态频谱分配、功率控制等关键技术及认知无线电在无线区域网WRAN、Ad Hoc网络、UWB系统中应用的研究现状做了分析。在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。
关键词：认知无线电； 频谱侦听；主用户检测；动态频谱分配；功率控制
1引言
目前随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。人们通过采用先进的无线通信理论和技术，如链路自适应技术、多天线技术等努力提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段的频谱利用率极低。以美国为例，美国联邦通信委员会(FCC, Federal Communications Commission)的大量研究报告说明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段占用拥挤，而有些授权频段则经常空闲[1]。来自美国国家无线电网络研究实验床(NRNRT, National Radio Network Research Testbed)项目的一份测量报告表明3GHz以下频段的平均频谱利用率仅有 5.2%[2]。因此近几年来，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱共享技术受到了人们的广泛关注。
现有的频谱共享技术，如工业、科学和医用(ISM,Industrial, Scientific, and Medical)频段开放接入、工作于3GHz～10GHz频段的超宽带(UWB, Ultra-Wide Band)系统与传统窄带系统共存等技术通常应用于固定频段的共享，或受限于发送功率的短距离通信。这些技术在提高频谱利用率的同时却增加了干扰，限制了通信系统的容量和灵活性。认知无线电(CR, Cognitive Radio) [3,4,5]作为一种更智能的频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态的检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用。这将大大降低频谱和带宽的限制对无线技术发展的束缚。因此这一技术被预言为未来最热门的无线技术。
2CR功能的演进
CR的概念虽新，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。典型的例子有：工作于45MHz左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免使用已占用的信道；免授权1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：2003001312）资助
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的个人通信业务(PCS, Personal Communication Service)设备在传输数据之前预先侦听频谱的占用情况，以避免对其他的免授权设备造成干扰；工作于 5GHz频段的IEEE802.11a网络，采用动态频率选择(DFS, Dynamic Frequency Selection)和发送功率控制(TPC, Transmit Power Control)机制，避免与雷达信号的干扰。此外，高速下行分组接入(HSDPA, High Speed Downlink Packet Access)、CDMA1x EvDO网络都采用一种认知调制过程，通过确认用户需要的服务，识别用户工作的最佳环境，进而设定最有效的调制方案、数据速率及发送功率等以满足用户的QOS需求。但以上这些具有基本认知能力的技术只是CR功能的极小一部分，这些技术可以按渐进的方式扩展直到实现CR承诺的全部性能。
在CR功能的演进过程中存在多种不同的认识。一种认识的代表是以Mitola为首的瑞典皇家科学院 [4]，他们强调软件定义无线电(SDR, Software Defined Radio)是CR实现的理想平台。CR使SDR从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。它可通过无线电知识描述语言(RKRL, Radio Knowledge Representation Language)，采用基于模式的推理方式与网络进行智能交流，因此其认知功能的实现主要在应用层或更高层。但这种认识缺乏相应的具有认知功能的物理层和链路层体系结构的有效支撑；还有一种认识是以Rieser为首的维吉尼亚技术中心提出的[6]，他们认为Mitola提出的基于人工智能的认知系统受限于硬件平台的计算能力，且不能够适应快速变化的网络。Rieser指出CR不一定需要SDR的支撑，采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒体接入控制(MAC, Media Access Control) 子层的演进过程建模，更适用于可快速部署的灾难通信系统。但他们仅考虑了单个CR引擎节点的操作，没有涉及引擎节点在CR网络中的行为。FCC提出的CR功能是以上两种认识的一个相对简化的版本[7]。它建议任意一无线电只要能够具有自适应频谱感知功能就可称为是CR。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用CR 技术实现开放频谱系统，即合法的授权用户（也称主用户）具有高的优先权接入频谱，而具有CR功能的非授权用户（也称次用户或认知用户）可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入频谱。目前CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等。
目前人们对CR和SDR的关系基本达成共识：SDR具有相当的灵活性，但相比CR缺乏一定的智能。二者主要区别在于CR自适应频谱环境，SDR自适应网络环境。CR的实现不一定需要SDR的支撑，但如果借助于SDR，则CR会具有更多潜在的优势[7]。
3CR技术及应用的研究
3.1频谱政策和标准化工作进展
CR技术对现存的无线频谱固定分配制度提出了挑战。对此一些频谱管制部门如FCC和英国通信办公室(Ofcom, Office of Communications)等给予了积极的支持。2002年12月，FCC指出非授权设备应具备能够识别未占用频段的能力；2003年11月，FCC提出新的量化和管理干扰的指标值——干扰温度的概念，以扩展移动和卫星频段的非授权操作；同年12月FCC成立了CR工作组，明确表示支持CR并修正了美国的《电波法》[6]；2004年5
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月，FCC又建议非授权无线电可在TV广播频段内操作。与此同时，Ofcom也将CR引入其近期的频谱框架概述报告书中。
在频谱政策管制部门的带动下，一些标准化组织接纳了CR并先后制定了一系列标准以推动该技术的发展。IEEE 802.22工作组对基于CR的无线区域网络(WRAN, Wireless Regional Area Network)的空中接口标准正在制定中，目标是将分配给电视广播的VHF/UHF 频带的空闲频道有效利用作为宽带访问线路；IEEE 802.16工作组正在着手制定h版本标准，致力于改进如策略、MAC增强等机制以确保基于WIMAX的免授权系统之间、与授权系统之间的共存；此外，国际电信联盟(ITU, International Telecommunications Union)也在努力寻找类似CR的频谱共享技术。
3.2关键技术研究
3.2.1频谱侦听和主用户检测
认知用户相比主用户具有更低的频谱接入优先权。为不对主用户造成有害干扰，认知用户需能够独立地检测出空闲频谱及主用户的出现。这就要求认知用户能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。为对主用户不造成有害干扰，可靠检测概率要求达到99.9%。
早期的检测方法有采用导频信号和周期平稳过程特征检测(Cyclostationary Feature Detection)等，但检测性能会随着多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外检测能力本身也有一定的限制[8]，因此为实现可靠检测需要探索新的方法。目前的仿真和分析表明，采用合作分集的方法可达到上述的可靠检测概率要求。合作侦听允许多个认知用户之间相互交换侦听信息，这可显著提高频谱的侦听和检测能力。Ganesan等人提出多用户单载波和多用户多载波情况下，集中式CR网络通过引入放大中继(AF，Amplify-and-Forward)合作分集协议，可减少检测时间，从而提高网络的灵活性[9]。考虑到实际网络中中继节点发送功率有限的情况，Ganesan等人又进一步对分布式CR网络的分集增益的提高进行了分析[10]。但他们的研究均假设主用户的位置已知。当主用户的位置未知时，Wild等人提出采用本振泄露(Local Oscillator Leakage) 检测方法[11]，通过检测主用户接收机射频前端发射的本振泄露功率，可准确定位主用户。
此外，最新的研究表明采用物理层和MAC层联合侦听的跨层设计方法可极大的提高频谱侦听能力[12]。这种方法通过增强无线射频前端灵敏度，同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高检测能力，越来越受到人们的关注。
3.2.2动态频谱分配 (DSA, Dynamic Spectrum Allocation)
由于CR网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的，传统的话音和无线网络的DSA方法不完全适用。另外要实现完全动态频谱分配(Fully DSA)受到很多政策、标准及接入协议的限制[13]。因此目前基于CR的DSA的研究主要基于频谱共享池(Spectrum Pooling)这一策略。频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信道，因此信道是频谱分配的基
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本单位[14]。基于频谱共享池策略的DSA实质上是一个受限的信道分配问题，以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。
为规定用户之间选择频谱的协商机制，Mitola在文献[14]中提出了标准的无线礼仪协议的初始框架，主要包括主用户与认知用户之间交互的租用频谱协议、当主用户再次出现时服从的补偿协议、频谱使用优先级协议等。由于认知用户本质上是一个自治的智能代理，目前的研究大多集中于动态分布式资源分配方面。对策论（又称博弈论，Game Theory）是一种有效的分析实时认知用户交互过程的工具。由于经典对策模型不包含学习环节，采用一些嵌入学习功能的改进型对策模型如贝叶斯对策等，是目前研究的热点问题。Nie等人将对策论的应用做了进一步的扩展，分别分析了合作用户和非合作用户情况下系统的性能，指出基于合作的DSA可提高全网的性能[15]。但这种基于合作的方法强调系统的整体有效性，必要时需牺牲局部性能。之后很多研究对该方法进行了改进，以接近最优分配。如Peng和Zheng等人相继提出的标签机制，可区分用户的优先级，得到50%的性能改善[16，17]；Cao等人提出的本地讨价还价(Local Bargaining)算法，采用公平的业务保证机制，可提供文献[16]和[17]中相近的性能，但明显降低了系统的复杂性[18]。虽然这些方法都取得了一些进步，但这些基于合作的方法为了共享相邻用户频繁交换的协作信息，需要公共的协调协议和通信链路，必然会增加系统的复杂性和额外开销。这对于能量受限的通信系统，如Ad Hoc、无线传感器网络等并不适用。针对以上问题，Zheng等人提出了基于设备的频谱管理（相对于基于政策的频谱管理）方案[19]。其基本思路是用户通过观察本地干扰码型，依据预先设定的适用于不同场景的规则独立决策选择信道，从而使系统的性能、复杂度和通信成本取得折衷，因此该方法也称为基于规则的方法。实验结果表明相对于合作方法，这种基于规则的方法可在提供相同通信性能的前提下将通信成本降低3～4倍。
无论是基于合作的方法还是基于规则的方法，大多是用来解决多个认知用户之间如何选择频谱以最大化利用率的问题。而当主用户再次出现时也需考虑其信道选择的方案。Capar等人在该领域做了初步探索。他们提出了两种接入方案[20]：具有控制信道的分配和无控制信道的分配。前者是只要频谱池有空闲的子信道，主用户就可以选择空闲信道而不中断认知用户的通信；后者是主用户并不考虑认知用户是否占用信道，只要需要就占用原信道。这两种方案中，带宽利用率和阻塞率无明显差别，而无控制信道的分配方案的强制中断率比较高，可采用智能调度算法来降低。
3.2.3功率控制
采用CR技术实现频谱共享的前提是必须保证对主用户不造成干扰，而每个分布式操作的认知用户的功率分配是造成干扰的主要原因，因此需要探索适用于CR技术的分布式功率控制方法。
首先考虑两用户（单个认知用户与主用户）共享频谱时的功率控制问题。一种可行的方法是将测量到的主用户接收机信号的本地信噪比(SNR,Signal to Noise Ratio)近似为认知用户与主用户间的距离，从而相应的调整认知用户的发射功率[21]。此外，Clemens等人提出了一种相对智能的功率分配策略[22]，可将对策论和遗传算法相结合。即采用两用户重复
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对策理论建模，借助遗传算法来搜索策略空间。这些方法可实现在保证主用户不受有害干扰的前提下“贪婪”地增加认知用户的发送功率。
对于既存在合作又存在竞争的多址CR系统，为避免多用户的冲突问题，分布式功率控制的研究更为重要。多址CR系统的发送功率控制受到给定的干扰温度和可用频谱空穴数量这两种网络资源的限制[5]。到目前为止，一般主要应用信息论和对策论来解决其功率控制的难题。多用户CR系统的功率控制问题首先可看作是一个对策论的问题。若不考虑竞争现象，可看作纯合作对策，这样该问题就简化为一个最优控制理论问题，但限制了问题的许多方面[23]。因此用对策论方法研究的功率控制问题最终被归结为一个非合作对策。目前主流的方法是采用Markov对策进行分析解决。实现功率控制的另一种方法是基于信息论的迭代注水法。分析表明迭代注水法更适用于多用户环境，可通过增加遗憾意识的学习机制提高其性能，以支持更多用户接入。
此外，关于CR系统的安全、可靠链路的维护以及定价策略的研究也逐渐成为人们关注的热点问题。
3.3CR典型应用的研究
3.3.1在WRAN中的应用
在FCC政策的鼓励下，IEEE 802.22工作组已将CR技术确立为WRAN的核心技术。目前该工作组对基于CR技术的物理层与MAC协议标准的制定正在研究中，预计将在2006年中期推出相关标准的草案。
IEEE 802.22规定了点到多点（通常指一个基站(BS)到多个用户预订设备(CPE)）的无线空中接口。依据IEEE 802.22功能需求标准[24]，WRAN空中接口面临的主要挑战是灵活性和自适应性。对于物理层的要求有：保持低复杂性的同时提供很高的性能；BS能够根据接收到的SNR，动态的调整编码和调制方式；另外为对TV业务不造成干扰，还要求TPC动态范围至少为30dB。而对基于CR的MAC协议，需提供共享TV频段所需的全新功能。如在初始化过程中，CPE无预分配的信道用来搜索BS，甚至为提高性能BS可能将多个空闲信道捆绑在一起，致使 CPE到BS的同步问题相当困难，而这个问题在现存的无线MAC协议中并未涉及。此外，相比较别的IEEE标准，IEEE 802.22空中接口的共存问题也很关键，如侦听门限、响应时间等多种机制还需做大量的研究。
3.3.2在Ad Hoc网中的应用
当CR技术应用于低功耗多跳Ad Hoc网络中时，需要新的MAC协议和路由协议支持分布式频率共享系统的实现。
一般来说，认知用户之间的通信需采用全局公共控制信道来完成信令信息的传输。因此对于MAC协议的设计需要考虑控制信道的要求。Pawelczak等人提出了一个简单的CR MAC协议[25]，将IEEE 802.11标准的MAC协议进行改进以满足控制信道的需求，尤其适用于Ad Hoc认知无线电应急网络。
在Ad Hoc网络中引入CR技术同样对路由协议也带来一些影响。传统的路由指标如跳数、拥塞等作为路由选择的依据已不够充分，所以对于CR网络需引入新的路由指标，如信
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道切换数、信道切换频率等。Krishnamurthy等人在文献[26]中相应提出两种新的路由策略：基于最小时延路由和基于信道切换频率路由，以便寻找最佳路由。另外，一般的多跳Ad Hoc网络在发送数据包时需要预先确定通信路由，采用CR技术后，因来自周围无线系统的干扰波动较大，需要不断的更改路由。因此，用于Ad Hoc网络中的传统路由技术不再适用。针对这种情况，Fujii等人提出了采用空时块码(STBC, Space Time Block Code)分布式自动重传请求 (ARQ,Automatic Repeat reQuest)技术[27]，利用包的重传来代替路由技术。该方法可根据周围的环境，避开干扰区域自适应选择路由。此外，由于网络路由协议的最优选择很大程度上依赖于物理层环境（如移动性、传播路径等）的变化和应用的需求（如QOS等），而在Ad Hoc认知无线电网络中，多种业务的QOS需求的变化要比网络拓扑的变化还要快[26]，因此有必要研究次优化路由协议，以保证长期的网络性能优化。
3.3.3在UWB系统中的应用
最初将CR技术应用于UWB系统中即认知UWB无线电(Cognitive UWB Radio)技术的提出是为了能够实现在直序列超宽带(DS-UWB,Direct-Sequence UWB)和多频带正交频分复用(MB-OFDM, MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing)两种UWB标准的互通。如Granelli等人提出的脉冲软件智能无线电(Impulsive Software Smart Radio)，可根据特定的操作环境，采用动态波形生成算法，实现各种UWB脉冲调制技术及波形的选择[28]。其目的都是应用自适应脉冲波形生成技术，解决IEEE 802.15.3a物理层DS-UWB和 MB-OFDM两种可选技术标准竞争陷入僵局的问题。
由于UWB系统与传统窄带系统之间存在着不可避免的干扰，将CR技术与UWB技术相结合来解决干扰问题已成为近几年研究的热点。尤其是对UWB系统中基于CR的合作共存算法的研究较多。Y amaguchi等人在文献[29]中描述了采用主动干扰取消算法在MB-OFDM中的实现，并论证了采用MB-OFDM技术更适于将来的CR技术的应用。一个更有效的方法是考虑将CR机制嵌入到UWB系统中。如以跳时-脉冲位置调制(TH-PPM, Time Hopping- Pulse Position Modulation)为例，通过预先检测到干扰频率，并相应选择适合的跳时序列，可将UWB系统与传统窄带系统间的干扰减至最小。
此外，随着CR关键技术及应用的研究，用于验证这些技术的实验系统也初步取得了一些进展。如美国国防高级研究计划局(DARPA,Defense Advanced Research Projects Agency)开展了下一代无线(XG, neXt Generation)通信项目的研发，设计了自适应频谱系统原型，目标是使频谱的利用率增加10倍；MITRE公司研发了自适应频谱无线电(ASR, Adaptive Spectrum Radio)实验床，成功验证了自适应频谱接入的可行性；维吉尼亚无线通信技术中心研究并设计了CR仿真实验椅和硬件实验床，基于生物启发的CR引擎节点正在研发中；伯克利大学建立了伯克利仿真平台(BEE2, Berkeley Emulation Engine)，对各种频谱侦听技术和算法进行了实验仿真和性能分析等。
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4总结及展望
CR技术被认为是未来无线通信技术的“下一件大事”，已逐渐受到人们的普遍关注。本文对CR技术近几年来的研究成果进行了综述。CR技术虽具有独特的优点，但还远不成熟。目前还存在一些需要进一步研究的问题。我们今后的工作将重点关注以下几个方面：·认知多入多出无线电(Cognitive MIMO Radio)：MIMO多天线技术可显著地提高无线通信系统的频谱效率，而CR技术的主要目标就是提高频谱的利用率。将MIMO技术引入到CR系统中，将能够提供载波频率和复用增益的双重灵活性[5]。
·频谱与路由联合选择技术：CR技术可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择，而频率的改变通常需要上层协议如路由协议等进行相应调整[19]。根据频谱的变化自适应地选择路由的频谱感知路由协议值得关注。
·认知网状网(Cognitive Mesh Network)：无线Mesh网络是近几年出现的全新的网络结构，它具有无线多跳的网络拓扑结构，通过中继的方式使得网络范围不再局限在中心控制点的传输范围，从而有效的扩展网络覆盖范围。由于微波频段受限于视距传输，基于CR技术的Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入[7]。
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https://www.doczj.com/doc/636255947.html, Investigation on Key Techniques and Applications of
Cognitive Radio
CaiLiGUO TianKuiZHANG ZhiMinZENG ChunYanFENG
School of Continuing Education, Beijing University of Posts and
Telecommunications, Beijing 100876, China
Abstract
In this paper, we first study the functional evolution of Cognitive Radio. Then following the discussion of the development of several spectrum policies and standardizations, we focus on the recent research issues of key techniques, such as spectrum sensing, primary user detection, dynamic spectrum allocation and power control, as well as the applications of Cognitive Radio in Wireless Region Area Network, Ad Hoc network and UWB system. Finally, we finish by briefly investigating several possible future research directions of Cognitive Radio.
Keywords:Cognitive Radio; spectrum sensing; primary user detection; dynamic spectrum allocation; power control
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认知无线电的发展历程与现状 认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互 信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知(Spectrum Sensing )和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA dynamic spectrum allocation )和频谱共享(Spectrum Shari ng )。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Sha nnon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz 左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1. 认知无线电的发展历程
认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。 关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Shannon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1.认知无线电的发展历程 认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在1999年提出的，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并在论文中描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2004年Rieser支出认知无线电不一定必须有SDR的支撑，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适用于可快速部署的灾难通信系统。该认知模型可对无线电系统的物理层和MAC层烦人演进建模，主要由三部分组成，包括用于监听无线环境，进行信道建模的无线信道遗传算法（WCGA）、演进并自适应无线环境的无线通信遗传算法（WSGA）和根据无线电信道模型和无线电参数，监视并改变系统的状态，以决定如何适应无线电的认知监视系统（CSM）。 2003年5月，FCC召开了无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。并且对从频谱管理的角度出发对认知无线网进行了官方定义，认为认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射参数的无线电设备。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现“开放
现代通信系统 论文 题目：认知无线电技术 姓名：朱雪峰 学院：潇湘学院 专业：通信工程 班级： 001 学号： 1254040121 指导教师：钟斌 2015年11月1日
目录 一、引言 (2) 二、认知无线电的基本概念 (2) 三、认知无线电的功能与实现 (4) 1.认知无线电的主要功能 (4) 2.认知无线电的实现关键 (5) 四、认知无线电的标准化 (7) 五、认知无线电的管制与应用情况 (8) 六、未来发展与展望 (9)
认知无线电技术的研究及发展 【摘要】认知无线电技术作为软件无线电技术的一个特殊扩展，受到日益广泛的关注。由于该技术能够自动检测无线电环境，调整传输参数，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，可以大幅度提高频谱利用效率。本文首先从认知无线电技术的定义入手，分别讨论了认知无线电的基本概念、功能与实现、标准化的进程。然后介绍了当前应用状况，最后分析了未来的发展及面临的挑战。 一、引言 随着无线通信技术的发展，人们可以获得的带宽不断地增加，移动通信的数据速率从10 kbit/s增长到2 Mbit/s，在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒。但即使如此，也无法满足人们日益增长的无线接入需求。为了缓解这一矛盾，一方面，人们不断开发新的无线接入技术，利用新的频段来提供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率。但由于移动终端天线尺寸和功率的限制，可以用于无线接入的频段很有限。在提高频谱效率方面，目前较为先进的CDMA空中接口技术，如HSDPA可以达到1 bit/（s·Hz）的频谱效率，将来OFDM和MIMO技术的应用也只能达到3-4 bit/（s·Hz）的频谱效率。3-4倍的频谱效率的提高对于人们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。认知无线电技术的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 二、认知无线电的基本概念 认知无线电（cognitive radio，CR）的概念是由Joseph Mitola博士提出的，他在1999年发表的一篇学术论文[1]中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表示语言（RKRL）”的新语言提高个人无线业务的灵活性。随后在2000年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中详细探讨了这一理论[2]。 认知无线电也被称为智能无线电。从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输。甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。 由定义可以看出。认知无线电的一个最大优势就是无线用户可以通过该技术实现“频谱共享”。目前大多数频谱已经被划分给不同的许可持有者（又称为首要用户），包括移动通信、应急通信、广播电视等。但是随着用户需求的增长，简单地通过开发新的无线接入技术和使用新的频点已经无法充分满足市场需求。 近年来，很多学者通过监测分析当前无线频谱使用状况发现，虽然大部分频谱已经被分配给不同的用户，但是在相同时间、相同地点频谱的使用却非常有限。常常是大部分频点未被使用，而某些热点频率又处于超负荷运行。美国联邦通信管理委员会（FCC）充分注意到了这一点，于2002年11月出版了频谱政策任务组撰写的一份报告[3]，该报告指出，当前分配的绝大多数频谱的利用率为15%-85%。因此FCC认为当前存在的最主要问题并不是没有频谱可用，而是现有的频谱分配方式导致资源没有被充分利用。只有彻底改变当前固定频谱分配政策，部分甚至全部采用动态频谱分配政策，使多种技术可以实现“频谱共享”，才能
关于认知无线电的应用思考 认知无线电核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。 工程化得话，就是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。CR是一种新型无线电，它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(主用户)的出现，能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。 过程： 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(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，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限的无线频谱资源进 行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。 认知无线电中，次级用户动态的搜索频谱空穴进行通信，这种技术称为动态频谱接入。在主用户占用某个授权频段时，次级用户必须从该频段退出，去搜索其它空闲频段完成自己的通信。
1.平台结构 认知无线电的物理平台的实现是以软件无线电平台为基础的，其物理平台结构与软件无线电平台结构基本相同，两者之间的比较如图3[9]所示，它主要在软件无线电平台的基础上增加了感知，学习等功能，以实现其独特的认知能力。 其中，无论对于软件无线电平台还是认知无线电平台，软件部分的硬件支撑都是通用硬件平台。也就是说，从图1可以看出，和软件无线电类似，认知无线电物理平台也主要由射频前端、数模模数转换器以及通用硬件平台3个部分组成。 图1认知无线电与软件无线电物理平台结构的比较 其中，为软件提供硬件支撑的认知无线电通用硬件平台的组成和结构与软件无线电系统的硬件平台基本类似，但除了常见通信系统所需的数字信号处理外，认知无线电还需要完成频谱感知、频谱分析、频谱判决等认知无线电特有的功能。 而认知无线电平台中使用的A/D和D/A模块的作用和性能指标也与软件无线电系统基本相同。A/D和D/A模块一般集成在通用硬件平台之中。
2010年第05期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.05,2010 总第221期Communications Technology No.221,Totally 基于认知无线电的无线通信研究现状 白敏丹 (中国传媒大学信息工程学院,北京 100024) 【摘 要】归纳了从软件无线电到认知无线电功能的演进。认知无线电是在软件无线电的基础上提出的智能化的无线通信技术，它着力解决频谱资源的有效利用问题；认知无线电概念的提出将对现行的频谱管理体制提出挑战，并给无线通信带来新的发展空间。软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下，可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不同的功能。认知无线电可以感知周围电磁环境，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流，并实时调整传输参数，以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。文中在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。 【关键词】软件无线电；认知无线电；无线通信；移动通信 【中图分类号】TN92【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)05-0044-03 Situation of Wireless Communication Based on Cognitive Radio BAI Min-dan （Information Engineering School, Communication University of China, Beijing 100024,China） 【Abstract】The paper summarizes the functional evolution from software radio to cognition radio. Cognitive radio is a software-defined radio based on the intelligent wireless communication technology. It emphatically resolves how to make use of spectrum resources. The proposal of cognitive concept would challenge the present spectrum management system, and bring new space for the development of wireless communication. Software radio system could, without any change of system hardware, implement various functions at different times by loading the software. Cognitive radio could sense the surrounding electromagnetic environment and realize intelligent exchanges with communications network through radio knowledge description language (RKRL), and by real-time adjustment of the transmission parameters, achieve high reliability and spectrum utilization efficiency of communication system at anytime and anywhere. Based on these, this paper discusses the hot issues in the future development of cognitive radio technology. 【Key words】software radio; cognitive radio; wireless communication; mobile communication 0 引言 通过近20年的发展，移动通信已成为通信领域最活跃、市场份额最高的产业，也成为国际上市场竞争最激烈的部分。但是，按着传统的思路的产品开发及生产方式，已表现出不少问题，如产品是针对特定的标准中一个版本来开发和制造的。当新技术出现或版本升级或提供新业务时，只能开发新的专用芯片，制造新一代的设备。其结果不是限制了新技术和新业务的使用，就是给制造商、运营商带来更大的投资风险，给用户带来诸多不便。随着各种新标准、新协议的不断发布，无线系统制造商和通信服务提供商不得不做出响应，通过系统升级，以保持其技术的先进性，不断为用户提供高质量的通信服务（从1 G到4 G）。但是，如此反复的重新设计和硬件的不断更新换代，不仅成本高，浪费资源，而且给最终用户也带来诸多不便。软件无线电SDR（Software Defined Radio）就是在这样的背景下诞生的能经得起时间考验的无线通信系统[1]。 软件无线电是指采用固定不变的硬件平台，通过软件重构（升级）来实现灵活多变的通信体制和通信功能的无线电系统。软件无线电硬件平台的特点是通用化、标准化、模块化，以及对信号波形的广泛适应性；软件无线电的核心是其驻留在DSP和/或FPGA和/或ASIC内部的功能软件，这些软件是可升级、可重构的，以适应不同的技术标准、接口协议和信号波形。近几年，软件无线电在微电子技术的带动 收稿日期：2009-09-02。 作者简介：白敏丹（1964-），女，硕士，副教授，主要从事专业及基础课教学的研究工作。 44
软件无线电课程论文 论文题目：认知无线电之频谱共享技术 姓名： 学号： 班级： 目录 目录 2 摘要 3 1 引言 3 2 研究现状 3 3 基本原理和算法 3 4 分布式动态频谱共享系统系统模型 3 5 个人理解和体会 3 6 参考文献 3 摘要 当前,无线频谱资源的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电(Cognitive Radio,CR)作为一种新兴的技术,它改变了传统的由政府授权使用无线电频谱的方式,它以频谱利用的高效性为目标,允许非授权用户机会式利用授权用户的频谱空洞传输,被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的一种新方法。基于认知无线电技术进行频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.本文将从研究现状、原理等简单介绍认知无线电中的频谱共享技术。 关键字：认知无线电频谱共享技术频谱利用频谱分配 1 引言 基于认知无线电技术进行动态频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.动态频谱共享本质上是一种多目标优化问题,由于所有参与者(包括主用户和认知用户) 具有不同的目标和利益,彼此之间的决
策行为相互影响,并存在竞争和协作关系. 如何设计频谱的使用规则和相关接入机制,协调所有参与者的行为实现有效的频谱共享,满足各自不同的利益需求就成为关键问题. 目前,利用博弈论的方法分析动态频谱分配策略研究逐渐被研究者关注. 目前普遍采用的非合作博弈模型中,理性的博弈者总是追求自身利益最大化,从而导致博弈的纳什均衡偏离全局最优状态. 解决这一问题的一种有效方法用户效用函数的设计中,除了包括用户自身的收益之外,还将自身行为对其他用户造成的影响考虑在内. 每个用户在追求自身效用最大化的同时兼顾了其他人的利益,其结果使得非合作博弈的均衡状态收敛于系统的最优状态. 2 研究现状 认知无线电的频谱共享技术在提高频谱利用率方面的价值引起了各国电信管制机构的兴趣，不过由于认知无线电的技术和概念都非常超前，多数国家仍在研究讨论当中，只有美国的FCC已经正式批准具备认知无线电性能的设备进入市场。 近年来美国希望大力发展宽带无线接入业务，但由于频谱资源匮乏，亟需寻找新的频段给新的接入技术。美国是最早推动和批准使用认知无线电设备的国家。FCC从2003年就开始尝试引入认知无线电提高频谱的利用。2003年12月，FCC公布了《使用认知无线电技术促进频谱利用的通知》，就《FCC规则第15章（FCC rule part 15）》（用于数字式设备和低功发射机的法规）进行了修订，并于2005年10月，正式批准了关于引入认知无线电技术、使用认知无线电设备的法规。 FCC认为目前最适合应用认知无线电技术的是UHF中分配给电视广播业务的6 MHz频段，因为目前该频段在美国利用率很低，通过允许其它免许可设备使用这个频段，不仅可以提高频率利用率，而且还可以推广宽带无线接入业务，因为这个波段传播距离远，适合为偏远地区提供服务，可以促进美国社会的宽带普及。FCC认为认知无线电技术还可以在高频率频段发挥作用，如100 GHz以上的频段在美国的使用率只有5%-10%。 认知无线电的频谱共享技术听起来是个十分新颖的概念，但事实上无线局域网（WLAN）领域已经开始利用认知无线电技术的频谱共享技术。 WLAN是最早利用认知无线电频谱共享技术的无线通信系统。FCC等法规机构要求802.11a无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰，这种躲避雷达的能力要求系统具有强大的CR类自适应能力，而这只是WLAN-CR功能的开始。 无论在军用还是民用领域，认知无线电的研究与应用都处于起步阶段。在军用领域，美国国防部高等研究计划署（DARPA）于2003年成立了下一代通信计划（XG），着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准。2003年开始，Raytheon公司与DARPA签订了下一代无线通信计划的合同。从事认知无线电相关的技术研究与开发。在民用领域，Motorola、Intel等公司也已经成立认知无线电研究组并开始开展相关的研究。 3 基本原理和算法 3.1频谱共享技术概述 采用高效频谱利用技术，首先需要重新认识频谱，频谱不是具体和有限的资源，它是抽象和无限的资源，对其利用率高低取决于所采用的技术。其次，需要详细探讨能充分利用频谱的高效频谱利用技术。近年来随着智能天线、高性能数字处理器，新型扩频码、多址接入技术，软件无线电、智能无线电、感知无线电，动态频谱分配和共享等新技术的迅猛发展，为频谱高效利用提供了可能。 在这些改善频谱利用的新技术中，多无线电系统动态频谱分配与共享技术能显著提高整体频谱利用率，从长远看是提高频谱利用率的根本方法。但动态频谱分配需要改变现有频谱分配总体结构，对频谱管理、网络结构、通信终端等方面改变较大，近期看，实现难度较大。而频谱共享技术在不改变现有频谱分配总体结构下，通过不同无线电系统频谱共享来提高频
认知无线电技术 相信童鞋们都对大名鼎鼎的认知无线电技术有所耳闻，那到底是个什么东东呢？下面射频君就来给大家普及一下认知无线电的基本知识。随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据伟大的香农同志所提出的信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。问题出现了，解决发法捏？因此，伟大的科学家筒子们提出了采用认知无线电(CR，全称Cognitive Radio)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。认知无线电是一种智能频谱共享技术，通过智能学习以及对频谱环境的感知对传输参数进行实时的调整，能够对频谱的利用率进行显著的提升。 “无线电之父”Mitola的概念模型包括硬件和软件。其软件部分由基础软件和智能软件构成。硬件部分重点使用软件无线电的基本体系结构，由安全模块、调制解调器、天线、射频、基带信号处理和用户接口部分构成。调制解调器可以解决收发信号的调制解调以及均衡信号的问题；天线是为了接收并发射无线电信号；射频前端由无线电信号的放大以及其必要变换构成；基带处理模块能够解决网络中的各种协议与控制问题，兼容不同的网络；用户接口部分可以根据RKRL语言满足不同的接口服务，同时使用关于用户需要的支持自动推理的方
法，实现个人通信服务。 1. 频率侦听 认知无线电技术在应用中，能够对频谱进行连续的侦听，以此对没有占用的频谱进行及时的发现，在不对主用户造成干扰的情况下对用户的再次出现进行快速的检测，以此便于为用户腾出相应的带宽。要想对该功能进行实现，就需要对一种新的功能-频谱侦听技术进行运用，能够获得非常高的检测率。而受到检测能力的限制以及阴影衰落以及多径情况的影响，为了能够更为准确的对用户不同的接收功率进行检测，该技术在带宽频率捷变以及前端灵敏度方面具有更高的要求。在早期，其对周期平稳过程以及导频信号技术进行应用，并不能够对频谱检测的可靠性进行满足。而就目前来说，则可以通过DF、AF以及CF协议的应用对其频谱侦听能力进行提升。 2. 动态频谱分析 在现今的频谱研究中，欧洲地区的很多项目已经对不同网络的动态频谱分配算法进行了研究，而对于认知无线电网络来说，用户在可用信道、位置以及数量方面的需求具有着变化的特征，并因此使这部分技术存在着不完全适用的情况。考虑到目前动态频谱分配在标准、政策以及接入协议等方面的限制，基于频谱统筹策略是现今应用较多的频谱共享技术，在该技术中，其思想即首先将不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，之后再将其划分为不同的信道。没有得到授权的用户，则可以对这部分空闲的信道进行临时的占用。对于该策略来说，对信道应用的公平性以及利用率进行了充分的考虑，可以说是一个受
摘要：认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。当前，认知无线电技术从理论到实践都面临很多困难。文章简述了认知无线电的基本原理，对认知无线电涉及的射频、频谱感知和数据传输等物理层核心关键技术进行了总结分析，并结合当前的发展状况对该技术未来的发展趋势进行了预测。 关键词：认知无线电；频谱感知；数据传输；网络体系与协议 Abstract: Cognitive Radio (CR) is an intelligent radio technology which has the capability to search and utilize underutilized spectrum resources. CR has been recognized as an effective solution to the dilemma introduced by the rapid growth of wireless communications and the scarcity of spectrum resources. However, from theory to practical applications, there are many challenges faced by CR currently. In this paper, the key physical layer techniques of CR, such as radio frequency front-end, spectrum sensing and data transmission, are discussed. According to the status of the research, the development tendency of this technology is also predicted. Key words: cognitive radio; spectrum sensing; data transmission; network architecture and protocol 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 这一思想在2003年美国联邦通信委员会(FCC)的《关于修改频谱分配规则的征求意见通知》中得到了充分体现，该通知明确提出采用CR技术作为提高频谱利用率的技术手段。此后，CR技术受到了产业界和学术界的广泛关注，成为了无线通信研究和市场发展的新热点。然而，CR技术从理论到大规模实际应用，还面临很多挑战。这些挑战包括了技术、政策和市场等诸多方面。本文从技术的角度，总结分析CR的基本原理、关键技术，并对将来技术发展趋势进行预测。 1 认知无线电基本原理 1.1 认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义[1-3]，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”[4]。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”
毕业设计（论文）题目：认知无线电中频谱感知技术研究专业： 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 指导单位： 20分太坑爹了。老子放个免费的 日期：年月日至年月日
摘要 无线业务的持续增长带来频谱需求的不断增加，无线通信的发展面临着前所未有的挑战。无线电频谱资源一般是由政府统一授权分配使用，这种固定分配频谱的管理方式常常会出现频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这与日益严重的频谱短缺问题相互矛盾。认知无线电技术作为一种智能频谱共享技术有效的缓解了这一矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱环境，自动搜寻已授权频段的空闲频谱并合理利用，达到提高现有频谱利用率的目的。频谱感知技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。 本文首先介绍了认知无线电的基本概念，对认知无线电在 WRAN 系统、UWB 系统及 WLAN 系统等领域的应用分别进行了讨论。在此基础上，针对实现认知无线电的关键技术从理论上进行了探索，分析了影响认知网络正常工作的相关因素及认知网络对授权用户正常工作所形成的干扰。从理论上推导了在实现认知无线电系统所必须面对的弱信号低噪声比恶劣环境下，信号检测的相关方法和技术，并进行了数字滤波器的算法分析，指出了窗函数的选择原则。接着详细讨论了频谱检测技术中基于发射机检测的三种方法：匹配滤波器检测法、能量检测法和循环平稳特性检测法。为了检验其正确性，借助 Matlab 工具，在Matlab 平台下对能量检测和循环特性检测法进行了建模仿真，比较分析了这两种方法的检测性能。研究结果表明：在低信噪比的情况下，能量检测法检测正确率较低，检测性能远不如循环特征检测。 其次还详细的分析认知无线电的国内外研究现状及关键技术。详细阐述了频谱感知技术的研究现状和概念，并指出了目前频谱感知研究工作中受到关注的一些主要问题，围绕这些问题进行了深入研究。 关键词：感知无线电；频谱感知；匹配滤波器感知；能量感知；合作式感知；
认知无线电频谱感知技术现状研究 【摘要】近年来无线电技术飞速发展，无线通信得到广泛应用，随之而来的是更多的用户需求与无线电频谱资源紧张的矛盾。认知无线电可以有效地解决无线通信中频谱资源紧张的问题，为资源的高效利用提供方案。 【关键词】节点选择；频谱感知；协作频谱感知 从1999年CR这一概念被Joseph Mitola III提出至今，认知无线电技术一直为无线通信研究的热门。认知无线电技术和频谱感知技术的发展日新月异，近期开始有更多的学者开始研究复杂环境下的协作频谱感知方案。 一、认知无线电 Simon Haykin定义CR通过构建理解方法论来学习环境并且通过实时改变运行过程中的某些参数来适应环境带来的统计变化，这些参数包括载频、调制方法和发射功率等参数。总之它是一种感知周围环境的智能无线通信系统，其中核心目标包括：随时随地，高度可靠的通信和高效的频带利用率。Simon Haykin构建CR的框架是从信号处理和自适应过程的角度进行的。另外，Joseph Mitola III认为，为了提高无线电技术的灵活性，认知无线电技术使用“；无线电知识表达语言”；（Radio Knowledge Representation Language，RKRL）。这一语言将会逐步演变成由软件进行配置，符合网络或者用户要求的通信功能和参数的软件无线电。CR通过对环境的观察、自身定位、计划决策、学习、判断和执行来完成自身功能的循环。 同时，美国联邦通讯委员会发布的FCC 03-322文件，申明了CR是一种能通过和其所在的环境相互作用来改变自身发射频率的无线电技术。包括主动地与其他频带使用用户进行交流协商或者通过被动的感知与判断等方式[1]。FCC还具体对CR的使用标准和适用场合做了规定。 二、频谱感知技术 在CR中，频谱感知已经成为核心研究内容，而且频谱感知技术目前又以对主用户发射机进行检测的为主。对发射机进行检测分为单节点检测和多节点检测（又称作合作检测或者协作频谱感知）。单节点检测主流的方法又有能量检测（Energy Detection），循环平稳特性检测（Cyclostationarity）和匹配滤波器检测（Matched Filtering Detection）。 协作频谱感知，又称多节点频谱检测。由于主用户的发送信号经过不同的衰落的信道到达感知从用户（CU），因此主用户的信号伴随着一定的阴影效应或多径衰落，将多个CU的单节点检测作为可以互相协作的整体，共同对同一段频谱进行感知，多节点能量检测技术可以通过AP的信息融合技术，将这一信道的不良干扰大幅度降低。这样，在AP通过特定的融合、判决后得到对主用户LU的
认知网络课程学习报告题目：认知无线电技术简介
目录 1、认知无线电简介 ………………………………………………………………………………………………………….- 1 - 1.1 技术产生背景.................................................................................................................. - 1 - 1.2 基本理念和平台结构..................................................................................................... - 1 - 1.3 认知无线电的发展及研究现状 .................................................................................... - 3 - 2、认知网络关键技术................................................................................................................... - 4 - 2.1 频谱检测技术.................................................................................................................. - 4 - 2.2 自适应频谱资源分配技术............................................................................................. - 5 - 2.3 认知无线电下的频谱管理............................................................................................. - 5 - 3、认知无线电的标准化............................................................................................................... - 6 - 4、认知无线电的应用场景........................................................................................................... - 7 - 5、结语............................................................................................................................................ - 9 - 参考文献........................................................................................................................................ - 10 -
摘要：频谱资源在无线通信中已经得到有效利用，其为无线通信带来进步的同时制约着无线通信的新发展。近几年，认知无线电的不断进步不断拓宽了软件无线电的应用和功能，已经成为频谱资源匮乏的有效解决办法。本文主要针对认知无线电在无线通信中的重要作用展开讨论，通过对认知无线电技术进行概述，分析当前无线电技术发展现状，同时提出当前认知无线电发展面临的关键技术挑战，旨为我国无线通信的发展提供参考意见。 关键词：软件无线电认知无线电无线通信 中图分类号：tn925 文献标识码：a 文章编号：1007-9416（2015）09-0000-00 随着社会的发展，无线电频谱已经成为无线通信领域极为重要的资源。伴随社会无线通信业务的极速增长，当前无线电频谱资源已经接近匮乏。频谱资源的高效利用作为无线通信技术当前亟需解决的问题，同时其也成为制约无线通信发展的阻碍。基于无线通信技术的需求和科技的进步，认知无线电技术由此产生，其能够对周遭电磁环境进行感知，同时通过无线电描述语言与通信网络进行交流。认知无线电通过参数的调整，将环境与无线电参数进行匹配，以确保通信系统的可靠性及频谱资源的高效利用。 1 认知无线电的概述 1.1概念 mitola认为认知无线电是为保障个人无线数字助理及网络侦测用户需求且为这些需求提供适合的无线电资源，认知无线电是软件无线电的一种，同时综合应用软件、应用界面及认知等性能[1]。 fcc将认知无线电定义为通过运行环境的改变来控制发射机参数的一种无线电[2]。 john notor认为软件无线电不是实现认知无线电的必须条件，同时认知无线电不是软件无线电的发展，两者间属于重叠关系[3]。 1.2特点 （1）认知能力。认知无线电能够由工作环境感知到周遭信息，由此来标识频谱资源的使用状况，由此来重新选择频谱资源的适应工作参数。根据瑞典皇家学院使用的认知循环得知，认知无线电的任务主要包含三个方面：频谱感知、频谱分析及频谱判定。其中频谱感知主要用来检测可使用频段及频谱空穴现象；频谱分析主要用来分析估计频谱获取的频谱空穴特点；频谱判定主要根据频谱空穴的特征及用户的需要进行传输数据的选择。 （2）重构能力。认知无线电能够通过当前动态编程的改变从而使用不同无线传输技术来接收输出数据，基于对频谱授权用户进行干扰的基础，使用授权系统中的闲置频谱为用户提供极为可靠的服务，以上便是认知无线电重构内容的工作核心。当频谱被指定用户使用的时候，认知无线电能够通过两种应对方式进行解决：一是切换到其他空闲频段进行通信；二是继续使用此频段，但要通过改变该频段的发射速度及调制方案来避免对用户造成通信干扰。 （3）两种无线电之间的关系。软件无线电系统内部的a/d及d/a完全变更至中频，通过对系统进行采样，由中频进行数字化处理；认知无线电技术基于软件无线电采用通信协议技术，同时增加人工智能的支持，对其自身环境感知极为敏感，并能根据环境合理调整通信功率、频率及其他参数[4]。软件无线电系统具有较高的灵活性，但较于认知无线电缺乏一定智能。认知无线电能够自适应频谱环境，而软件无线电能够自适应网络环境。 2 认知无线电研究现状 2.1 darpa 美国国防研究计划局已经对频谱资源的有效利用展开研究，关于xg计划的研究目标有以下两点：第一，研究灵活的频谱分配技术，检测频谱环境，开发频谱使用机会；第二，在软件支持的基础上研究灵活的政策机制，主要体现在定义抽象行为、操作模式对应策略；同时策略约束通过下载软件完成。
认知无线电学习笔记一:综述概述类 CNKI 2007.01.01—2008.09.03有关CR的概述类文献选读。 1.{Title}: 无线通信领域的“下一个大事件”——认知无线电{Author}: 韦海珍{Journal}: 通信对抗{Year}: 2007 {Issue}: 03 ★★ 该文认为:CR是对SDR的进一步扩展,SDR只关注信号处理的软件实现,而CR 则强调对无线环境的感知并据此调整系统的工作参数,是更高层的概念,不仅包括信号处理,还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。 作者认可的是FCC对CR的经典定义:CR是无线终端利用其与周围无线环境进行交互所获取的无线背景知识,调整传输参数、实现无线传输的能力。则具备了CR 能力(环境感知探测能力和据此调整传输频点及相关传输参数的能力)的设备即为CR设备。认知用户(非授权的二级用户)可在对主用户(授权的一级用户)不造成干扰的情况下伺机接入可用频谱,从而在空间、时间、频率上实现对频谱资源的多维利用,提高频谱资源的利用率。显然CR 的真正运行还需要规则上的支持:FCC通过了《FCC规则第15章》修正案(2003.12);DARPA 拟定XG计划;IEEE成立802.22工作组(2004.10,WRAN);SDRF成立了CR小组。 该文章认为CR功能的实现基于一个认知循环的过程:始于无线电激励的被动感知,以做出反应行为而终止。一个基本的认知循环要经历3种基本过程,即无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测和频谱管理。但是文章对这3个基本过程的描述很不清楚,估计是参考某种特殊的CR实例而又没给出该实例。 作者总结的CR关键技术有三:准确、快速的频谱感知技术,自适应数据传输技术,动态频谱资源管理。 频谱感知分两个阶段:第一阶段检测感兴趣频段是否存在主用户信号,寻找可用的频谱资源;第二阶段在使用频谱资源的过程中要持续地检测外部环境,一旦主用
航天器通信技术的发展和应用课程报告 《认知无线电技术研究》 姓名房鑫 学号 151230124 学院航天学院 专业信息工程 二〇一六年三月 I
摘要 摘要 认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。随着无线通信技术的发展，一个日益严峻的问题摆在了我们的面前，那就是频谱资源日趋缺乏。但是另一方面，无线频谱资源在空间和时间上存在着不同程度的闲置，于是人们提出了认知无线电技术。认知无线电网络中的用户能感知周围的无线环境，并能择机进入频谱，从而提高了频谱利用率和实现了频谱的灵活分配。 本文主要对认知无线电的动态频谱分配算法进行了研究。频谱的灵活应用要求认知无线电系统能够动态地分配频谱资源，包括要为主用户的出现实现退避和切换功能，因此，频谱分配是能否充分高效利用空闲频谱的关键技术。 本文首先对认知无线电作了简要的介绍，阐述了认知无线电的概念、功能以及发展状况等。然后介绍了认知无线电关键技术及频谱分配方法，并分析了现有算法的优缺点。 关键词：认知无线电，频谱分配，图论着色，用户需求，公平。
1绪论 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 现在的频谱管理策略是基十静态控制的模型，频谱是固定授权分配的，因此导致了较低的频谱利用率。而认知无线电技术使得次用户对频谱的二次使用成为可能，极大地提高了频谱利用率，被认为是解决频谱缺乏问题的方案之一。本章将对认知无线电技术做一个简单的介绍。 1.1认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph MitolaⅢ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。” 无线频谱资源在传统的无线通信系统中是固定授权分配的，这样的分配方式有利于保证系统的服务质量(QoS,Quality of Service)，但是也这样的分配方式也导致了频谱利用率的低下[1][2]。FCC(Federal Communications Commissions，美国联邦通信委员会)的一份调查报告表明,分配给授权用户的频段其使用率在不同时间不同地区的波动很大,从15%-85%不等。而认知无线电的正是为了解决这个问题而提出的。 认知无线电的概念是Joseph MitolaⅢ博士于1999年在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的[3]，强调软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）是实现CR的理想平台，是对软件无线电的进一步的扩展。Joseph MitolaⅢ博士于2000年在他的博士论文给出了他对认知无线电的定义。他认为：