基于认知无线电的高效频谱利用技术

1 引言

无线频谱是一种珍贵的自然资源，它的分配利用通常是由无线电法规部门确定的。目前世界各国采用的是基于静态（固定）频带分配的原则与方案。一个频段一般仅供一个无线通信系统独立使用，不同的无线通信系统使用不同的频段，互不干扰，这种静态的无线频谱管理方式简单而有效地避免了不同无线通信系统间的相互干扰。然而这也使得当前频谱资源日趋缺乏。2002年11月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了一项由Spectrum- Policy Task Force提交的旨在有效管理美国频谱资源的报告。该报告明确指出：“在许多频带，频谱的准入是一个比频谱本身稀缺更加重要的问题，很大程度上由于法规限制了这些频谱上的潜在用户获得准入。”事实确实如此，美国Shared spectrum公司在2004年1月到2005年8月间，对美国30——300000MHZ频段的频谱使用情况调查发现该频段的平均利用率只有 5.2％，其中使用率最高的地区纽约仅为13.1％，使用率最低的是分配给无线电天文学的频段，利用率仅有1％。可见拥塞频段的用户无法访问其他空闲频段的静态频谱管理的问题，大大限制了频谱使用率。为此，提高频谱利用率，便成为人们日益关注的问题。

2 认知无线电概述

瑞典皇家技术学院的J Mitola于1999年在软件无线电的基础上，提出了认知无线电（CR，Cognitive Radio）的概念，希望利用这种新的技术，灵活有效地动态管理频谱资源的使用，提高频率的利用率。CR从定义上讲是一种智能无线通信系统，它能感知周围环境，运用“理解—构建”的方法从周围环境中获取信息，并通过实时改变诸如传输功率、载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化。从原理上讲，CR能够通过对它所工作的无线通信环境的交互感知而自动改变自身的发送和接入参数，动态地重复使用可用频谱。这种交互感知包括被动的频谱感知或者是基于认知无线电本身的只能学习推理能力与其他频谱用户进行主动通信和协商的过程。通过优化自主调节自身的发射与接收特性以适应周围的无线环境，CR的无线链路层和网络层能以最优化的方式在有限的信号空间中有效的传输信息，为日益拥挤的无线通信系统和设备实现频谱资源的高效利用，共存、兼容和互动的展现了美好的前景。

学术界和IEEE标准化组织越来越对CR技术感兴趣，并将其称为未来无线通信领域的“下一个大事件”。

3 认知无线电高效利用频谱的关键技术

CR 的最终目标是通过频谱感知，频谱管理与共享而获得最佳的可用频谱。由于多数频谱已经被分配掉了，因此最大的挑战就是如何与法定用户共享频谱而不对其产生干扰。CR对暂时没有被利用的频谱称为频谱孔或空白段，如果这一频段随后被法定用户使用了，那么CR视具体情况，或转移到另外一个频谱孔，或继续使用这段频段。

3。1 频谱感知

认知无线电能够灵敏感知周围环境的变化，通过频谱感知功能发现频谱孔，使其与周围通信环境相适应。由于第一用户网络没有义务改变它的结构与CR网络共享频谱，因此CR只能独立地、可靠地通过连续的频谱感知对法定用户进行探测，这是认知无线电的一项核心功能。最有效的探测方法就是探测在它通信范围内的，正在接受数据的法定用定。在这里，法定用户也可以被称为第一用户，此时CR用户就相应地被称为第二用户。

在进行探测时，不同类的第一用户具有不同的感知灵敏度要求，比如电视接收器的灵敏度比GPS接收机的灵敏度差，电视广播信号比GPS信号容易探测得到。因此，CR的灵敏度应超过第一用户接收机的灵敏度，以避免隐蔽终端问题。这是频谱感知十分具有挑战性的关键原因，既要满足每一类第一用户的灵敏度要求并且要有额外的30～40db的余量，需要如此余量的原因在于: CR很难对第一用户的发射机和接收机之间的信道进行测量，只能根据对第一用户的发射机的探测所作出的本地信道情况的测量而定。

由于无线电环境是随时变化的，同时也因为第一用户种类的不同，传播损失的不同、干扰等因素，频谱感知功能的实现需要CR高度的灵活性。在设计方面最主要的挑战性来自于如何定义射频结构，使其在线性、抽样频率、准确性和功率等方面达成折中平衡。这样，数字信号处理的技术就可以应用到感知功能中去，这也推动了信号处理方面的研究，以降低对于大宽带情景下的模拟期间尤其是宽带放大器，混频器和模数转换器的挑战性要求。

总的来讲，频谱感知技术可以归纳为对发射机探测，合作探测和基于干扰的探测，如图1所示。

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图1 频谱感知技术的分类

3。2 频谱管理

认知无线电通过频谱感知功能探测到的未被使用的频带可能分散在包括许可频带和非许可频带的很广的频域上，它们具有不同的诸如中心频率、带宽等动态频谱特征，并且能被使用的时间也不同。因此，频谱管理最主要的问题是设计一个有效的、高效的利用频谱的自适应策略。比如，假设存在一组可用频谱孔，动态频谱管理在CR不能达到用户要求（如满足不了FER要求）的情况下，能够选择一个更有效的调制策略或者选择另外一个可用的频谱孔来提高通信的可靠性，主要包括频谱分析和频谱判决两个方面。首先通过频谱分析，归纳出在CR网络中可用频谱孔在不同时间段内具有的频谱特征，一旦所有的可用频谱特性被分析出来，CR应根据QoS的要求，为当前的传输选择适当的运行频段。

3。3 频谱共享

目前普遍认为适用于CR的调制策略是正交频分复用技术（OFDM）。这是因为OFDM的灵活性和计算上的有效性。很明显，随着时间的变化，可用频谱孔来来去去，OFDM不断调整其载频，如图2所示。

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图2 动态频谱共享过程

图 2描述了在四载频情形下，频谱共享策略在T1，T2，T3(T1<T2<T3)时刻根据可用频谱孔的情况分配信道带宽。频谱共享的结果是使 CR在特定地域内，在可用频谱孔随时间改变的情况下依然能进行。

从图可看出，频谱共享的过程实际上包含有频谱移动性这一个概念。CR的目的是使终端设备能够动态地使用频谱，才能使“获取最好的可用信道”这个通信概念变得有意义。目前频谱共享技术解决方案可以从结构、频谱分配行为及频谱接入技术3个方面进行归纳，如图3所示。

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图3 频谱共享技术的分类

基于结构的频谱共享技术可分为集中式频谱共享和分布式频谱共享。前者解决方案主要是集中单元控制频谱分配和接入过程。网络中的每个分布式节点都把自己探测感知的频谱信息汇集到集中控制单元，由它绘制出频谱分配映射图。后者解决方案主要应用在不能构建集中式结构的场合。相应地，在这种情况下，每个分布式节点都参与频谱分配。基于频谱分配行为的共享技术，可以分为合作式频谱共享和非合作式频谱共享。合作式频谱共享解决方案考虑到节点的行为会影响到其他的节点。也就是说，每个节点的感知所得都会与其他节点分享，而且，频谱分配算法也会考虑到这些信息。集中式解决方案可以看作是合作式的，同时也存在着分布式的合作方案。非合作式频谱共享与合作式方案不同，非合作式方案仅考虑自己节点的行为，因而这种方案也被称作是“自私”的。非合作式方案可能会导致频谱利用率的降低，但在实际应用中，它对其他节点的通信要求最低。基于接入技术的频谱共享分为Overlay频谱共享和Underlay频谱共享。Overlay频谱共享具体来讲就是一个认知节点利用未被使用的一段频谱接入网络，这种情况下对第一用户造成的干扰最小。Underlay频谱共享利用蜂窝网络的频谱扩展技术，一旦获得了频谱分配射影图，认知节点便开始传输。在这段频谱上，第一用户把认知节点的传输当成噪声来处理。因而，这种方案需要复杂的频谱扩展技术。与Overlay频谱共享方案相比，Underlay频谱共享可以利用更宽的宽带。对CR网络中频谱接入的理论研究揭示了在设计频谱接入协议时候要考虑的权衡问题。比如，合作式方案的优势在于它能够提高频谱利用率和公平性，然而，如果考虑到诸如用户之间频繁的信息交换这些成本开销的话，它的优势就不是很明显了；又比如，Overlay技术关注的重点是频谱孔，Underlay技术必须要结合动态扩展技术才能避免对第一用户造成干扰，如果考虑到系统的复杂性和性能之间的均衡，混合技术应当优先考虑。

4 结束语

传统的无线通信系统中，频谱的分配是固定的。由于通信过程的突发性，这些频谱的利用率很低。另一方面，随着无线通信和多媒体的高速发展和广泛应用，无线频谱资源日趋紧张，如何提高频谱利用率成为迫切需要解决的问题[6]。CR技术能在基于通信质量的基础上实现不同频率的自动传输，提高频谱利用率，还可以用它推出低价格的4G服务。