深入了解认知无线电技术

无线电频率是全人类共享的有限自然资源。目前大多数频谱已经被划分给不同的主用户，包括移动通信、应急通信、广播电视等。但是随着用户需求的增长，新业务不断涌现，无线局域网（WLAN）技术、无线个人域网络（WPAN）技术的发展，越来越多的人通过这些技术使用非授权的频段（UFB）以无线的方式接入互联网。日益增长的用户需求和有限的频谱资源之间的矛盾将是未来通信领域面临的最主要问题之一。

然而，人们通过采用先进的无线通信理论和技术努力提高频谱效率的同时，很多学者通过监测分析当前无线频谱使用状况发现，全球相当数量的授权频段在相同时间、相同地点的利用率却非常低，如分配给电视广播的甚高频/超高频（VHF/UHF）频带，而这些频谱段的信号传播特性比较好。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资源相对较少但其承载的业务量很大，常处于超负荷运行状态；而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。为了解决频谱资源的日益紧张和目前固定分配频谱利用率较低的矛盾，要求找到更有效的方法来充分感知和重复利用无线频谱资源。为此，人们提出了认知无线电（Cognitive Radio，CR）的概念。

认知无线电的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，通过与周围环境交互信息，以感知和共享利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。根据一定的学习和决策算法，实时自适应地调整其自身内部的通信机理，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自动选择最好的、最廉价的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。

由定义可以看出，认知无线电的一个最大优势就是无线用户可以通过该技术实现“频谱共享”，将改进现有的频谱管理模式，充分利用已授权但利用率低的频谱，即允许用户以一定规则与主用户共享其授权频段。而传统的无线频谱利用技术聚焦于综合利用多种技术手段充分挖掘授权频段频谱效率的提高，如链路自适应技术、多天线技术、多用户检测技术等。(www.xing528.com)

认知无线电的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。随着许多CR相关研究的展开，对CR技术存在多种不同的认识。最典型的一类是围绕Mitola博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）是CR实现的理想平台。

认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机”（Opportunistic Way）的方式工作在已授权的频段内。当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。认知无线电在特定频段上进行探测，如果发现该频段当前未被使用，可以在不影响首要用户的前提下使用该频段。如果该频段的主用户恢复无线传输，那么认知无线电设备就跳转到其他频段或者通过改变传输功率、调制方式等手段来避免对首要用户产生干扰。