一种新的智能无线技术——认知无线电技术

李圣安　王保云

摘要　认知无线电技术(CR——cognitive radio)是软件无线电技术的演化，是一种新的智能无线通信技术。它可以感知到无线电传输的环境特征，通过无线电知识描述语言与通信网络进行智能交流，来调整其传输参数，使系统的无线规则满足用户通信最佳性能的需求。文章对认知无线电技术进行了较详细介绍，包括其概念、通信特点、工作过程和部分关键技术等，最后指出了未来认知无线电技术的若干重要发展方向。

关键词　认知无线电　信道估计　频谱空穴　功率控制　无线电知识描述语言

0、引言

　　众所周知，无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，一般由政府授权使用。由于通信行业的迅速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，尤其是在频率需求非常紧张的数百MHz-3GHz无线频带中，一些频带大部分时间内并没有用户使用，另有一些偶尔才被占用，其他频带使用竞争则相对很激烈。怎样才能提高频谱利用率，在各地区和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常关注的技术问题。Joseph Mitola在软件无线电的基础上提出了认知无线电的概念，为这个问题提供了解决方法。

　　软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和新体制，是作为多频带多模式的个人通信系统平台而出现的。其以硬件作为无线通信的基本平台，无线通信功能尽可能用软件实现。这样设计的无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便。以软件无线电为扩展平台的认知无线电是一种新的智能无线通信技术，它可以感知到周围的环境特征，采用构建理解的方法进行学习，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能交流，实时调整传输参数，使系统的无线规则与输入的无线电激励的变化相适应，以达到无论何时何地通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。无线规则指一系列适合无线频谱合理使用的射频带宽、空中接口、相关协议和空间时间模式的设置。认知无线电系统的重构能力很重要，该功能就是以软件无线电作为平台来实现的。除了重构功能由软件无线电实现外，认知无线电的其他任务主要是通过信号处理和机器学习的过程实现，其认知过程开始于无线电激励的被动感应，以做出反应行为而终止，一个基本的认知周期要经历3种基本过程，分别是无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，它们的顺序执行使认知无线电系统的认知功能得以实现。

1、无线传输场景分析

　　认知无线电(CR)系统传输信号时，首先要分析无线传输场景。由于发送端产生的激励是非稳态的空时信号，过程主要由空时处理完成，判断干扰温度的大小同时检测出频谱空穴和估计一些传输参数统计量。这些任务由接收端完成，再反馈到发送端，用于控制信号功率和频谱管理。另外，可以应用自适应天线波束形成技术进行干扰抑制，由系统发送端和接收端采用补偿方式完成。

　　1.1　干扰温度的提出和测量方法

　　通常的无线电环境是以发送端为中心考虑的，但经常存在不可预测干扰源，从而使噪声基准增大，引起信号传输性能的下降。为了避免这种情况，美国联邦通信委员会(FCC)提出了干扰的估测过程，从以发送端为中心到以发送端和接收端的自适应实时交互为中心的转变，为了确定和控制无线电环境中的干扰源，出现了新的度量标准——干扰温度，干扰温度限规定了在某频带和特定地理位置满足接收者需求的最差场合的无线传输环境特征。上述建议的用途可表述为：a)在某感兴趣的频带内，接收天线处测量到的干扰温度为可接受的无线电干扰提供了精确的量度标准，如果噪声基准超出了干扰温度限，将认为在该频带内的通信系统性能是很差的。b)给定任一个频带，测得通信系统接收处干扰温度不超过一定界限，等待服务的用户就能使用它，干扰温度限将作为该频带的无线电频率能量的上限。

　　对于CR，接收机提供可靠的干扰温度的谱估计非常重要，主要有以下2项任务：a)基于固有干扰源和客观的无线频率能量的累积分布，用多抽头方法估计干扰温度的能量谱。b)用大量的传感器探测无线射频环境。基于周期平稳过程特征检测的多抽头频谱估计同奇异值分解法相结合，为无线传输环境中噪声基准能量谱的估计提供了有效的方法。

　　1.2　频谱空穴检测

　　频谱空穴是指被分配给某初始用户但在特定时间和具体位置该用户并没有使用的频带。在CR系统中，如何有效地进行频谱空穴的检测是一项非常重要的任务。

　　首先，将频谱区域分成3种类型：a)黑色区域，常被高能量的局部干扰占用；b)灰色区域，在部分时间被低能量干扰占用；c)白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰的占用。一般情况，白色区域和有限度的灰色区域可被等待服务的用户使用。对系统射频激励可采用MTM-SVD法分析，在特定地理位置，将时间域和频域分别分组离散化计算，准确性较高。为了进一步提高准确性，可引进自适应滤波器改进检测。进行检测时频带内的发射器必须是正在进行工作的，否则可能使频谱黑色区域被检测为频谱空穴。总之，不论何时何地，都应保证检测过程的灵敏性和可靠性。

　　1.3　基于自适应天线波束形成技术的干扰抑制

　　为了优化射频激励的空间特性，可以采用自适应天线波束形成技术，对CR接收端的干扰进行抑制。干扰抑制可分为2个工作阶段：a)在发送端应用地理感知技术使其辐射模式沿着接收端方向，这样可避免在发送端传输信号向各个方向辐射，保持传输能量，若所有系统均采用该技术，在某系统接收端，可使其他传输系统对其的干扰最小化；b)在接收端应用天线波束形成技术，可以自适应消除其他已知或未知传输系统的残余干扰。

2、信道状态估计及其容量预测

　　为了在CR接收机处进行相关检测和预测计算其信道容量，必须进行信道估计。一般的信道估计方法有差分检测法和训练序列传输法两种，它们各有自己的优缺点。差分检测法鲁棒性较强，实现简单，但接收端使帧错误率显著下降，所需信噪比代价高；训练序列传输法接收机性能好，但浪费传输能量和带宽。基于上述两种方法的结合，使用一种叫半盲训练的方法，它既不同于全盲处理的差分检测法，也不同于指导处理的训练序列传输法，其工作过程有指导训练模式和跟踪模式两种。

　　信道状态信息是随时间变化的，可由状态空间模型表述。动态噪声和度量噪声的特征决定了使用怎样的状态空间模型。高斯噪声环境下，使用高斯状态空间模型，可用传统的卡尔曼滤波器进行信道状态的跟踪；非高斯噪声环境下，使用非高斯状态空间模型，可用粒子滤波器进行跟踪。

　　信道估计的结果可用来计算信道容量，用于控制发送端的信号能量，可使用香农法则计算信道容量C，但在CR系统中并不直接在发送端传输C的信息，而是量化C，一定的量化率用于反馈发送端，量化比率是预先确定的，所以接收机接收的信息量要小于信道容量C。一般来说，无线系统的传输率是波动的，当其超出一定界限时，就会引起系统的不正常工作，这个界限决定了最大的传输比特率。另外，在信道容量分析过程中，系统反馈时延的影响和高阶马尔可夫模型的使用也是两个值得考虑的问题，一定条件下会影响到通信系统的性能。

3、功率控制和频谱管理

　　功率控制和频谱管理的功能是在CR系统发送端实现的。接收机把检测到的信道特征等传输参数反馈到发送端。基于这些参数，发送端通过某些策略来实现功率控制和频谱管理的功能，使CR系统的传输性能达到最佳。

　　3.1　功率控制

　　在CR通信系统中功率控制的实现以分布方式进行，以扩大系统工作范围，提高接收机性能。控制发送端功率是CR系统的关键技术之一。在多址接入的CR信道环境中，主要采用协作机制方法，包括规则及协议和协作的ad hoc网络两方面内容。多用户的CR系统彼此协作工作，基于先进的频谱管理功能，可以提高系统工作性能，支持更多用户接入。

　　在多用户传输的CR系统中，除了协作，还具有竞争现象。在给定的网络资源限制下，特定用户可以通过某种形式提高其信道传输性能，也促使其他用户依次同样工作。多址CR系统的发送功率控制必须考虑两种网络资源限制，一是给定的干扰温度限，二是存在的可用频谱空穴数量。到目前为止，多用户通信理论的发展并不健全，一般主要应用信息论和对策论来解决功率控制的难题。

　　对策论是研究决策主体行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策的均衡问题，对策论可以划分为合作对策和非合作对策。多用户CR系统的功率控制问题可看作是一个对策论的问题，不考虑竞争现象，可看作合作对策，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。对策论方法研究的功率控制问题中每个用户最大化自己的效用，功率控制问题被归结为一个非合作对策。Markov对策是将多步对策看作一个随机过程，并将传统的Markov决策过程(MDP)扩展到多个参与者的分布式决策过程。多用户CR的功率控制问题就可看作是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反复注水法。该法的基本思路是把系统的MIMO信道看作是M个平行的独立子信道的集合(M是信道特征矩阵H的秩)，各个子信道的增益则由其对应的奇异值来决定。运用了该算法之后，发送端会在增益较多的子信道上分配更多的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分配能量，从而在整体上充分利用现有资源，达到最大传输容量。

　　3.2　动态频谱管理

　　动态频谱管理也称为动态频谱分配，具有实现系统频谱高效利用的功能。在CR系统中，频谱管理的算法可这样描述：基于频谱空穴和功率控制器的输出，选择一种调制方式以适应时变的无线传输环境，使系统工作在可靠传输的状态下。系统工作的可靠性可由信噪比差额(SNR gap)的大小确定。

　　由于OFDM的灵活性及其计算高效性等优点，可作为CR系统的调制模式。随着时间变化而出现频谱空穴的转移，OFDM的载频也应相应发生改变，CR系统的动态频谱分配处理过程可满足由于某时某地频谱空穴的转移而使载频发生相应改变的需要。当特殊情况出现而致使当前频谱管理算法不能满足相应性能时，可以通过引进新的更有效的调制方式或合并其他频谱空穴的方法进行工作，但是以付出算法灵活性和带宽为代价的。动态频谱管理器和发送功率控制器共同协作工作，实现了多用户CR系统的正常通信需求。

　　在基于CDMA的CR系统中，通信和干扰程度经常一起考虑，动态频谱管理首先把低干扰的白色频谱分给用户，其次是较高干扰的灰色频谱。当应用其他接入方式时，必须避免相关的信道干扰，可采用一种包含初始用户占用黑色区域的通信模型的动态频谱管理算法来实现最佳传输性能。

4、无线电知识描述语言

　　传统的软件无线电不可能与网络进行智能交流，因为没有基于模式的推理计划能力和没有相关的描述语言。在以软件无线电为发展平台的认知无线电研究中，研究表示无线系统知识、计划和需要的语言是关键技术，无线电知识描述语言(RKRL)应运而生，它表示了无线规则、系统配置、软件模块、网络传送、用户需求、应用环境等的知识。

　　传统的基于计算机的无线电语言有规范描述语言(SDL)，统一建模语言(UML)，接口定义语言(IDL)，知识询问和操作语言(KQML)等，各有优缺点，RKRL是一种并行对象语言，通过基于模式的推理综合了上述各种语言的特点。每一个RKRL声明就是一个帧，结构如下：<frame>=[<handle>，<model>，<body>，<context>]。在给定的context前提下，它表示了handle与body之间的关系。

　　通过RKRL这种标准语言，CR系统突发的数据变换可被动态定义，其代理可以快速的通过操作相关协议使无线规则更好地满足用户需求，增强了系统的灵活性和反应能力。

5、结束语

　　认知无线电技术是在软件无线电技术基础上发展起来的一种新的智能无线通信技术，是软件无线电技术的扩展，它使软件无线电从预先定义协议的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。本文对CR系统的通信特点和认知技术进行了较详细地叙述。由于CR技术的显著特点，引起了业界的极大重视，近年来得到快速发展。CR虽具有独特的优点，但技术并不成熟，其未来的重点发展主要有以下几个方面：a)计算机语言应用；b)MIMO认知无线电；c)认知无线电Turbo处理；d)纳米级处理技术。另外，由于CR可能会在一定范围内影响其他接收机的正常通信，还必须提高其通信系统的可信度。随着科技发展和CR技术成熟，相信未来不久，该技术将有效地服务于人们的生活。