认知无线电及其组网技术

摘要　文章首先对认知无线电技术进行了简单的介绍，包括其部分关键技术和工作过程等；然后对其组网技术进行了简单的介绍，包括组网方案和用户间的通信过程。

随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源特别是3GHz以下的频谱资源变得越来越紧张。由于无线局域网技术、无线个域网技术的出现，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网和电信网。而这些技术大多使用非授权的频段工作，进而使得这些频段趋于饱和；但是另外一些授权频段（比如广播电视业务频段）需要电信网络给予一定的保护，以避免对其形成干扰。这样就导致了这些专用频段使用效率非常低，而恰恰这些授权的频段还占了频谱资源的一大部分，无形中造成了频谱资源的巨大浪费。图1是美国伯克利大学无线电研究中心（BWRC）获得的0～6GHz频段内的频谱利用情况[1]，由图1可知，一些频带大部分时间内并没有用户使用，另外一些频带也只是在部分时间内才被占用，剩余的一小部分频带却被很多不同的用户来竞争使用。事实上，频谱资源的紧张并不是找不到用以通信的频段，而是因为频谱资源分配不合理造成的。提高频谱利用率，在各个地区内充分利用有限的频谱资源越来越成为通信专家们关注的焦点。

图1　市区6GHz以内的频谱资源使用情况

为了解决频谱资源"匮乏"的问题，其基本思路就是尽可能的提高频谱资源的利用率。为此，瑞典皇家技术学院Joseph Mitola博士提出了认知无线电的概念[2]。从这个意义上说，认知无线电提出的初哀就是为了提高频谱利用率，使具有认知功能的无线通信设备具有发现"频谱空穴"并利用其进行通信的能力[3][4]。

1、认知无线电的关键技术简介

从比较完整的意义上讲，认知无线电系统应该具备检测、分析、学习、推理、调整等功能，而这些功能的实现需要一系列的技术来支持，主要包括干扰温度的界定与测量、动态频谱分配、传输功率控制以及原始用户检测等，现一一进行简要介绍。

（1）干扰温度

干扰温度是由FCC提出来的，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。系统设定一个保证授权用户正常运行的干扰温度门限，该门限由授权用户能够正常工作的最坏信噪比水平决定。非授权用户被当作为授权用户的干扰，一旦包括非授权用户信号在内的累积干扰超过了干扰温度门限，授权用户系统就无法正常工作；反之，可以保证授权用户与非授权用户同时正常工作。

（2）动态频谱分配

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，传统的语音和无线网络的动态频谱分配方法不完全适用。另外，要实现完全动态频谱分配受到很多政策、标准及接入协议的限制，因此目前基于CR的DSA的研究主要基于频谱共享池这一策略。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本单位[5]。为规定用户之间选择频谱的协商机制，Mitola提出了标准的无线礼仪协议的初始框架。博弈论，是一种有效的分析实时认知用户交互过程的工具。

（3）传输功率控制

采用CR技术实现频谱共享的前提是必须保证对授权用户不造成干扰，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。

（4）原始用户检测

在认知无线电中，原始用户的检测是一个非常重要的方面。在实际中，往往会出现这种情况，当正在工作的授权用户的功率水平很低或是受到屏蔽而无法被认知无线电系统及时有效的检测到时，认知无线电系统会认为授权用户正在使用的频带为一个或多个"频谱空穴"，从而试图在该频段上建立自己的通信，这时就可能发生认知无线电用户强行占用已授权频谱的问题，而这一问题在认知无线电工作过程中是绝对不允许出现的。

2、认知无线电中的组网技术

认知无线电网络是一个智能多用户无线通信网，它的基本特征主要体现在以下几个方面：

（1）通过CR用户接收机对周围环境的实时监测达到对无线电环境的掌握；

（2）通过对通信环境的学习实时的调整无线电收发机的射频前端参数；

（3）通过多用户之间以自组织形式的合作使通信过程更加顺畅；

（4）通过对资源的合理分配对有竞争关系的用户的通信进行控制，使每个通信过程都能顺利进行。

2.1　认知无线电网络

发射机如何在动态环境下精确的定位接收机是认知无线电的一个主要研究方面，这取决于认知无线电的组网方案。一般情况下，认知无线电的组网方案有以下几种[6]：

（1）中心控制结构

其主要特点是发射信号的控制设计相对简单，但受制于基站的建立，如图2所示：

图2　中心控制结构

（2）分布式控制结构

其主要不足是发射信号的控制设计相对困难，而且网络组建技术还不成熟，如图3所示：

图3　分布式控制结构

（3）网状控制结构

其主要特点是本地通信采用Ad-hoc路由，非本地通信利用接入节点进行通信，如图4所示：

图4　网状控制结构

由于第3种结构在一定程度上综合了前两种的优点，给用户之间的通信带来便利，以下均是基于此种结构来讨论。

当一个认知无线电用户进入本地通信网后，它应该具有下面的五个基本功能才能保证实现通信的无缝接入，这主要是：

（1）能够发现临近的用户；

（2）能够发现接入节点；

（3）能够不断的更新临近用户的信息；

（4）能够在本地网中以无线自组网的方式建立与接收节点的通信路径；

（5）能够通过接入节点建立与其它本地网接收节点的通信。

图5是一个包含多个节点的细化后的认知无线电网络示意图。其中接入节点的作用是在不同的本地网之间建立通信的路径，相当于图4中的不同网络之间的连接链路。其中的节点15、23、65为新接入的节点，它们均通过信道A进行广播通信，但信息的传播距离是有限的；节点42、60、96为当前已经存在的节点，但是它们没有收到由新加入节点发送的"Hello"信息；其余的节点也是当前已经存在的，不同的是它们都收到了由新加入的节点发送的"Hello"信息。

图5　认知无线电网络结构示意图

一个节点为了能够发现其周围的节点并能够在本地网的节点之间方便的交换控制信息，每个本地网中均需要一个普通的公共控制信道。这同样有以下两种可选方案：其一是自适应公共控制信道，此时每个命令的传输均是在与结点等价的认知信道中进行的，这样做的结果是系统的复杂性大大增加；另外也可以采用预先分配的控制信道，此种信道易于实现，但是需要从有限的频谱资源中分配出可观的部分用于控制信道，这是与认知无线电的精神相背离的。

2.2　认知无线电用户之间的通信

当一个认知无线电用户进入一个本地网后，它需要根据从GPS那里得到的位置信息把自己调整到信道A上。这时，此节点会通过信道A向临近的用户发送"Hello"信息包来表明自身的身份。每个信息包都应该包括该节点的身份号码、位置信息、最适宜的频谱空穴以及一系列单跳的相邻用户。此外，通过限制各个节点在控制信道A上的广播信息，可以使更多的节点能够通过此信道发现它们各自的临近用户。

如图6所示，节点15、23、65都在通过控制信道A广播自身的信息，不同的是它们所能发现的各自的临近节点互不相同，但都是集中在自己的周围，即广播的传输范围是有限的。另外，还可以通过接入节点与其它的本地网之间进行交互。

图6　临近用户的寻找

接入节点主要用来在不同的本地网之间传输信息包，它应该知道本地网内的所有节点的位置信息，以便于能够及时的处理其它网内的用户于本地节点之间的通信请求。另外，接入节点可以通过公共信道以一个较高的功率水平发出一个"Hello"广播包能够到达本地网内的所有节点；移动认知无线电节点比接入节点的功率限制大些。由于接入节点以一个较高的功率水平发送信息，所有的认知无线电用户都应该能接收到接入节点的"Hello"信息包，其中包括接入节点的与GPS有关的信息，这样，在这个网络内的所有节点都能够知道接入节点的位置信息。利用这一位置信息，每个认知无线电用户都能知道自身与接入节点之间的距离，从而适当的调整传输功率，使接入节点和认知无线电用户能够在一个合适的功率水平上进行通信。

图7　接入节点广播图

图7中基站节点以较高的功率水平通过信道B+向本地网内的所有节点发出信息，因为传输功率水平较高，所以正常情况下本地节点都应该能收到此信息。

当本地节点收到来自基站节点的信息后，它们会根据自身与基站节点之间的距离调整传输功率的水平，然后通过信道B-向基站节点反馈信息，如图8所示。其中节点25由于距离基站较近，所以传输的功率水平较低；节点66由于距离基站较远，因此传输的功率水平较高；而节点21的距离位于以上两节点之间，传输的功率水平在二者之间。

图8　CR节点反馈图

一个节点可以定位一个同一网络内的几跳以外的节点。信息包可以通过一个一个的节点顺次向下传递。这样，每个节点都可以得到距离它本身两跳距离处节点的信息，如果接收节点不在源节点的两跳范围内，则继续搜索三跳内的节点，依次类推。

3、结束语

认知无线电的核心思想是使设备具有发现"频谱空穴"并合理利用所发现的"空穴"的能力，但这是以频谱管理结构以及授权用户开放授权频段为基础的。本文介绍了认知无线电的产生及其特点，并在这些特点的基础上给出了一种认知无线电的网络模型及其网络中用户之间的通信模型。可以看出，移动Ad hoc技术在认知无线电的组网以及通信过程中起着重要的作用。由于CR技术有着其自身的巨大优势和显著特点，近年来得到了迅速的发展。但是CR技术还并不成熟，其中一些关键技术的处理还需要进一步的研究。