认知无线电提高“频谱效率”
引言：近年来，随着各种无线设备的大量使用和宽带无线电业务不断应用，对频谱的需求越来越大，导致频谱资源紧张的问题日益严重。根据我国的频谱划分图，我们可以看到无线频谱资源几乎已经分配殆尽，可用频谱可以说相当缺乏，而这将严重阻碍无线通信服务的进一步发展。软件无线电的广泛应用带来了部分频段的高效利用，但是在另外一些频段(比如电视频段)频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置，给频谱资源带来了较大的浪费。
认知无线电的提出
FCC的频谱政策特别小组的调查与研究表明:任意一个给定时刻,人们所用到的频谱只占可用频谱资源的2%～6% 。也就是说大量昂贵的频谱资源都处于闲置状态,而并没有得到完全利用。1999年，Joseph Mitola博士提出了认知无线电的概念，为利用空闲的频谱资源提供了一种解决方案。他对于认知无线电是这样描述的：“无线数字设备和相关网络在无线电资源和通信方面具有充分的计算智能来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资源和无线务。”
认知无线电系统工作流程
认知无线电定义系统可以对周围的电磁环境进行扫描监视，找出“频谱空洞”,并根据“频谱空洞”特征选取最佳通信频率及参数,最终建立起可靠的通信链路，在链路建立后仍然继续保持监测，一旦有新的用户接入则自动匹配其他信道。因此，在发射端，通过对周围电磁环境的自主侦察、分析，获得无线信道传输特性,检测周围信号的频谱分布情况,选择最佳频段或最佳信道并主动向接收方发送通信链路建立信号;接收端,对工作频段内的无线电频谱进行全景搜索，自动截获信号,并对其进行分析识别，一旦信号格式匹配就立即建立起通信链路,实现通信。图1是简单的认知无线电系统通信流程。
认知无线电的关键技术
（1）准确的频谱感知技术
认知用户相对授权用户具有更低的频谱接入优先权，而且不能对授权用户造成干扰, 因此，认知用户必须实时地检测出空闲频谱及授权用户的接入。频谱感知技术是CR进行通信的基础和前提，最重要的就是要进行频谱检测，即感知并分析特定区域的频段，利用某些特定的技术和处理，寻找合适的“频谱空洞”，分析其时间分布特性、占用带宽、噪声电平等信号特征并反馈至发送端进行频谱管理和功率控制，以此确定通信载频、通信体制、通信参数和发射电平。
（2）动态的频谱资源管理技术
授权用户可能随时接入，因此“频谱空洞”资源是不确定的，CR用户一旦接收到授权用户信号，必须立刻做出反应。动态的频谱管理可以提高无线通信的灵活性，使授权用户和非授权用户之间避免冲突并公平共享频谱。
（3）自适应的数据传输技术
数据传输技术对于认知无线电实现利用空闲频谱进行通信非常关键。认知无线电可用频谱可能位于很宽的频带范围, 并且不连续, 因此认知无线电数据传输技术必需能够适应这一特性。在多载波传输技术中,采用OFDM技术最佳选择，基本思想是将检测出的“频谱空洞”作为多个OFDM系统的子载波传输数据。
（4）功率控制技术
采用认知无线电技术的原则是必须保证对授权用户不造成干扰，因此功率控制是认知无线电系统的关键技术之一。功率控制的功能主要在发送端实现，接收端只需把检测到的信道特征反馈到发送端由发送端通过某些策略来实现功率控制。值得一提的是在多用户的认知无线电系统中，竞争现象会导致认知用户间的互相干扰，因此，功率控制技术也是认知无线电系统需要攻克的难题之一。
认知无线电频谱感知的实现
作为认知用户，必须实时、准确地监测频谱变化，以避免与授权用户使用发生冲突，因此频谱检测是认知无线电系统实现的关键点之一，频谱检测的精确性和准确性直接决定了是否会影响授权用户的正常通信。目前，针对频谱检测的技术主要基于三种，物理层检测、MAC层检测、多用户协作检测。物理层检测关注如何借助数字信号处理增益实现高性能的检测，分为在授权用户的接收端检测和发射端检测。在授权用户的接收端检测复杂度相对高，检测效率低，在授权用户发送端的检测主要有匹配滤波器检测法、能量检测法、循环平稳特征检测法。MAC层检测则关注多信道条件下的检测效率，通过对信道检测次序和检测周期优化，使检测到的可用信道数最多，或使信道搜索时延最短。这两种方法都是针对单个用户进行检测的，另外一种就是多用户协作检测，主要解决了单用户检测可靠性不高的问题，通过多用户分集对抗无线信道衰落，提高检测可靠度。
1.物理层检测
（1）接收端检测
接收端检测是认知用户通过检测授权用户接收端获取授权用户接收端的干扰信息，并利用该信息在满足授权用户干扰约束的前提下充分共享频谱资源。主要有两种方法：一是基于干扰温度的检测，干扰温度用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户接收机产生的干扰功率与授权接收机处的系统噪声功率之和，也就是单位带宽上的接收功率，该方法是借助授权用户接收机的干扰温度来量化和管理无线通信环境中的干扰源，认知用户对授权用户的干扰只要控制在干扰温度门限以内，就可以与授权用户同时使用该频段。另一种是本振泄漏功率检测。该检测方式是一种借助射频前端的本振泄漏功率检测授权用户接收机的方法，通过检测接收机中本地振荡器在天线段功率的微弱泄漏来检测接收机是否处于工作状态，并将信息传送给认知用户。在不需要授权用户参与的情况下， 为了测量某个授权用户接收端的干扰温度或者本振泄露，需要在授权接收用户附近安置相应设备以实时监测干扰温度值。
（2）发送端检测
与接收端检测不同的是，发射端检测是基于授权用户的发射端进行检测的,因此，授权用户只有在工作时才能进行检测。关于授权用户发送端检测的研究也比较多，主要有三种常用的检测方法：匹配滤波器检测法、能量检测法和循环平稳特征检测法。
匹配滤波器检测法是一种比较常用的信号检测方法，当认知用户获得完备的授权用户信号的先验知识如调制类型和阶数、脉冲波形和数据包格式时，匹配滤波器检测能使接收信噪比最大，在短时间内完成同步提高信号的处理增益，是一种最佳检测。但是它要求认知用户掌握每一类授权用户的全部先验信息，如果信息不准确，检测性能将大受影响，并且它是一种相干检测法，对相位同步要求非常高。该检测法仅适用于授权用户的信号特征确知的特定场景。
能量检测法则无需获知授权用户信号的先验知识，对接收信号的处理也比较简单。其原理是信号在经过A/D转换后，先进行傅立叶变换得到信号的频谱，由于能量检测法的处理增益取决于FFT的点数N和观察时间T，因此可增加FFT的点数N可以改进对窄带信号的频率分辨率，增加观察时间T可以降低噪声功率，提高信噪比，得到信号的频谱后，开始进行峰值检测，检测出峰值后，再对信号频谱加窗，计算信号的能量，再根据预先设定的判决门限对信号能量进行判决。而这其中也存在一些问题：一是噪声的不确定性使检测门限的设置比较困难，不合适的检测门限会将比较微弱的授权用户信号排除在外， 而将幅度较大的脉冲噪声检测为信号；二是无法区分调制信号、噪声和干扰，由于频谱使用的策略只适用于授权用户，接收机无法识别噪声和其他感知无线电接收机的干扰，这时能量检测的方法就无法检测出信号，比如当干扰来自其他认知用户时，能量检测法很可能将这种干扰判定为授权用户信号；三是无法检测出扩频信号，如直接序列扩频和跳频扩频信号。虽然能量检测法存在这些问题，但该方法仍然是信号检测领域中使用最为广泛的一种方法，我们下面频谱感知模块的设计就是采用这种方法。
循环平稳特征检测利用了调制信号在均值和自相关等统计参数方面具有循环平稳的周期特性而噪声不具备这一特性而区分信号和噪声的，循环平稳信号的统计参数包括自相关函数、功率谱密度和谱相关函数等。因此该方法可以提取出信号的载波频率、符号速率和调制类型等典型特征。循环性平稳特性检测对抗噪声环境的性能优于能量检测，在低信噪比情况下，该方法较为实用，但由于谱相关算法所需数据样本较长，计算量和复杂度较大，要实现高精度检测往往需要较长的检测时间，有时不能很好的满足系统快速准确检测频谱的需求。
2.MAC 层检测
物理层检测技术关注的是检测算法的灵敏度，而MAC层检测则更多关注的是如何提高检测效率。从检测策略上来讲，MAC 层检测可分为被动检测和主动检测两种。如果把频谱资源被分为N条信道，在被动检测模式下，认知用户只要检测到其中一条空闲信道便一直占用该信道通信，在数据传输期间不再检测其他信道，直至授权用户使用该信道时，才会进行重新检测转换，其优点是不会引入不必要的检测开销，缺点是会漏掉某些较好的信道，而且一旦授权用户接入，又需重新检测，增加了时延，QoS无法保证；在主动检测模式下，认知用户在每条信道上均采用独立的自适应周期检测，即使认知用户不需要通信，也会进行例行检测，并建立相应数据库，一旦认知用户需要传输数据或需要转换信道时，系统会根据统计和概率情况立即建立信道，降低了时延，但是主动检测用于检测的带宽开销和能量相对消耗较大。
3.多用户协作检测
基于物理层和MAC层的检测都是针对单个授权用户进行的检测，在实际无线环境中，频谱信号特征非常复杂，物理层接收端的检测很难检测到授权用户的弱信号,另外信号在传输过程会受到阴影衰落、多径效应等因素的影响，认知用户会因为接收到的授权用户信号太微弱而误判为授权用户未使用，从而占用该信道而造成对授权用户的干扰。利用多用户协作检测，可以减少信道的随机性和复杂性对结果的影响。在多用户协作检测中，每个认知用户分别将每块区域检测结果上传到中心节点，由中心节点对接收到的数据进行判决。判决规则一般分为硬判决、软判决以及混合判决,硬判决和软判决的区别主要体现在判决门限的选取上，硬判决依据单一假设进行决策，软判决在置信度测量基础上，主要依据贝叶斯、奈曼-皮尔逊等准则得到判决门限，混合判决机制就是硬判决与软判决的结合。多用户协作检测的优点是可以有效对抗阴影和多径衰落，提高检测性能，缺点是增加了检测技术的难度以及运算复杂度。
认知无线电的应用
首先，CR在WLAN系统中的应用应该算是比较早的,早在802.11a协议上,FCC就要求该系统能够自适应测雷达信号避免干扰,现在,基于IEEE802.11b/g/n协议的WLAN系统工作在2.4GHz及5GHz等不需授权的频段上,这个频段可能受到包括蓝牙设备、微波炉、无绳电话以及其他一些微功率发射设备的干扰。CR可通过对频谱的不间断扫描识别出干扰信号，并结合其独有的频谱感知和资源分配技术，自适应地选择最佳的通信信道和调整信道占用,进一步增强通信网络的可靠性和安全性,最大限度地提高传输速率。
其次，CR与UWB相结合的技术CUWB，被认为是当今多媒体宽带无线通信中最有前途的候选方案之一，UWB信号的超带宽不可避免地与现有的窄带无线电业务重叠，因此，UWB与认知无线电技术的结合具有特殊意义。CUWB主要是利用CR能够感知周围的频谱环境和UWB系统基于软件无线电技术灵活多变的特性，依据感知得到的频谱信息和动态频谱分配策略自适应地构建UWB系统的频谱结构，并生成相应的脉冲波形，达到通信目的。
认知无线电前景广泛
在软件无线电发展的基础上，认知无线电正朝着一种硬件平台标准化和通用化方向发展，它将是无线电技术发展的下一个里程碑。对于频谱管理者而言, 该技术可以大大提高频谱利用率, 有效利用资源；对于频谱使用者而言,可以使用较少的频谱资源获取最大的通信效果，并且不受干扰；对于设备生产厂商而言，CR技术可以为其带来更多的空间和机会；对于终端用户而言,可以享受到单个无线电终端接入多种无线网络的优势，同时也可以使用更多带宽得到更快的速率。
当然, 认知无线电技术的发展目前还存在一些障碍，一是标准化工作仍在研究中，二是频谱管理政策没有完全放开, 三是认知无线电自身技术和灵活性还需要不断提高，因此，认知无线电技术的广泛应用还存在一定障碍; 虽然由于这些限制, 认知无线电近几年内市场不会很大, 但相信在不久的将来认知无线电将会取得突破性的进展, 为无线电资源管理和无线接入市场带来新的发展契机和动力。
