认知无线电

认知无线电(Cognitive Radio)这个术语首先是Joseph Mitola在软件无线电概念的基础上提出的，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。

目前，认知无线电技术炙手可热，应用前景一片大好。有报道称具有认知功能的无线局域网产品将在近一两年内问世，但是要真正实现CR技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术问题。 当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如：德国Karlsruhe大学的F. K. Jondral教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的工作，该工作组正在制定利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。 结合上述认知无线电技术的现状，预计认知无线电未来会沿着以下几个方面发展： 1、基本理论和相关应用的研究，为大规模应用奠定坚实的基础。比较重要的包括：认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术，例如：频谱资源的管理、跨层联合优化等等。

2、试验验证系统开发。目前，已经有多个试验验证系统正在开发中，这些系统的开发成功，将为验证认知无线电的基本理论、关键技术提供测试床，推动其大规模应用。

3、与现有系统的融合。虽然目前认为认知无线电的应用应该不要求授权用户作任何改变，但如果授权用户和认知无线电用户协同工作，将会便于实现并提高效率。目前，已经有一些研究工作在考虑将认知无线电集成到现有无线通信系统的方法，并取得了一些初步成果。预计未来这方面将会有大量的需求。 目前提出的具有代表性的是CRN体系结构，现有基于认知无线电技术的网络架构主要有美国的CORVUS系统，基于IEEE 802.22的无线区域网(WRAN)和支持多信道多接口的无线Mesh网络；协议体系有CORVUS协议体系，军用的XG系统协议及WRAN协议等。

早在2004年美国加州大学伯克立分校的Brodersen教授领导的研究组就提出了基于认知无线电方式使用虚拟非授权频谱的CORVUS体系结构。在CORVUS系统中，由多个次用户(SU)组成次用户组(SUG)。同一个SUG中的节点可以彼此间以Ad hoc方式通信，或者通过专用接入节点访问骨干网络(比如Internet)。不同SUG中的SU是不能直接通信的。假设在对等SU或者SU与接入点(AP)间只存在单播通信，不支持广播，那么对等SU或SU与AP的通信允许分布式或集中式的组织方式。

CORVUS系统将SU面对的业务流形式主要划分为2种类型：Web式和Ad hoc网络式。对应于Web式，SU主要工作类似Internet接入，需要一个类似基站或

者访问点的存在来提供接入服务，因此会采用集中式控制。而Ad hoc网络式主要工作是节点彼此间进行的通信，采用分布式控制即可。

CORVUS的协议结构基于通用的OSI/ISO协议栈结构，如图1所示。从这个协议栈结构可以看到，主要涉及了物理层与链路层。

在物理层中，与认知无线电技术相关的主要模块包括：频谱感知、信道估计和数据传输功能模块。系统内SU间的控制和感知信息是通过两个专用逻辑信道通用控制信道(UCC)和组控制信道(GCC)来实现传送。UCC是系统唯一的公用控制信道，每个SU预先知道。每个SUG拥有一个GCC负责交换组内控制和感知信息。 软件无线电频谱检测技术的任务就是查找适合认知业务的白空，同时对工作在黑空（或灰空）和白空之间的转变进行监测。在认知无线技术中，进行频谱检测即对所观察的频段进行干扰温度的估定，干扰温度可以看做是频段内的干扰功率谱密度，它的设定用来量化和管理无线环境中的干扰问题。频谱感知技术可以分为单节点频谱感知技术和协同感知技术两大类，其中单节点感知技术又分为匹配滤波法、能量检测法和周期特性监测法；协同感知技术分为硬判断算法和软判断算法。下面逐个展开讨论： （1）单节点频谱感知技术

<1>匹配滤波法：是一种最优的信号检测法，因为在输出端它能够是信号的信噪比达到最大。工作原理是滤波器的性能与信号的特性取得某种一致，使滤波器的输出端的信号瞬时功率与噪声的平均功率的比值最大，也就是说当信号与噪声同时进入滤波器时，它使信号成分在某一瞬间出现尖峰，而噪声成分受到抑制。它的优点是可以再很短的时间内完成同步；缺点是要求认知用户掌握每一类授权用户的各种信息。

<2>能量检测法：假设认知用户每次检测授权用户频段上N个连续样点（一般N>10），首先确定一个阈值η， （2）协作检测技术

由于在无线通信中存在多径、阴影效应等因素，因此单一认知节点的检测在某些情况下性能会很差，所以需要协作检测技术，下面先说明一下什么是多径和阴影： 多径效应：由于接收这所处的地理环境的复杂性，使得接收的信号不仅有直接波的主径信号，还有从不同建筑物反射以及绕射的多条不同路径的信号，而且各个信号的强度、到达时间和载波到达相位都不相同，产生互相干扰。 阴影效应（Shadow Effect） ：在无线通信系统中，移动台在运动情况下，由于大型建筑的其他物体对电磁波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上的半盲区，从而形成电磁阴影，这种移动台的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做电磁效应。可以引起慢衰落损耗。