認(rèn)知無(wú)線電的歷史和概念及其關(guān)鍵技術(shù)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線用戶(hù)的數(shù)量急劇增加，使得頻譜資源變得越來(lái)越緊張，如何充分提高無(wú)線頻譜的利用率成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)提出了一種新的解決思路，其核心思想就是使無(wú)線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空洞”的能力。雖然認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能以更為靈活的方式來(lái)管理有限的頻譜資源，但要真正將其應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)還需解決包括頻譜檢測(cè)、自適應(yīng)頻譜資源分配和無(wú)線頻譜管理等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)提出的背景

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源變得越來(lái)越緊張。尤其是隨著無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)、無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人通過(guò)這些技術(shù)以無(wú)線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大多使用非授權(quán)的頻段（UFB）工作。由于WLAN、WRAN無(wú)線通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，這些網(wǎng)絡(luò)所工作的非授權(quán)頻段已經(jīng)漸趨飽和。而另外一些通信業(yè)務(wù)（如電視廣播業(yè)務(wù)等）需要通信網(wǎng)絡(luò)提供一定的保護(hù)，使他們免受其他通信業(yè)務(wù)的干擾。為了提供良好的保護(hù)，頻率管理部門(mén)專(zhuān)門(mén)分配了特定的授權(quán)頻段（LFB）以供特定通信業(yè)務(wù)使用。與授權(quán)頻段相比，非授權(quán)頻段的頻譜資源要少很多（大部分的頻譜資源均被用來(lái)做授權(quán)頻段使用）。而相當(dāng)數(shù)量的授權(quán)頻譜資源的利用率卻非常低。于是就出現(xiàn)了這樣的事實(shí)：某些部分的頻譜資源相對(duì)較少但其上承載的業(yè)務(wù)量很大，而另外一些已授權(quán)的頻譜資源利用率卻很低。因此，可以得出這樣的結(jié)論：基于目前的頻譜資源分配方法，有相當(dāng)一部分頻譜資源的利用率是很低的。

為了解決頻譜資源匱乏的問(wèn)題，基本思路就是盡量提高現(xiàn)有頻譜的利用率。為此，人們提出了認(rèn)知無(wú)線電的概念。認(rèn)知無(wú)線電的基本出發(fā)點(diǎn)就是：為了提高頻譜利用率，具有認(rèn)知功能的無(wú)線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)（Opportunistic Way）”的方式工作在已授權(quán)的頻段內(nèi)。當(dāng)然，這一定要建立在已授權(quán)頻段沒(méi)用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動(dòng)的情況下。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱(chēng)為“頻譜空洞”。認(rèn)知無(wú)線電的核心思想就是使無(wú)線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用的能力。

當(dāng)非授權(quán)通信用戶(hù)通過(guò)“借用”的方式使用已授權(quán)的頻譜資源時(shí)，必須保證他的通信不會(huì)影響到其他已授權(quán)用戶(hù)的通信。要做到這一點(diǎn)，非授權(quán)用戶(hù)必須按照一定的規(guī)則來(lái)使用所發(fā)現(xiàn)的“頻譜空洞”。在認(rèn)知無(wú)線電中，這樣的規(guī)則是以某種機(jī)器可理解的形式（如XML語(yǔ)言）加載到通信終端上。由于這些規(guī)則可以隨時(shí)根據(jù)頻譜的利用情況、通信業(yè)務(wù)的負(fù)荷與分布等進(jìn)行不斷的調(diào)整，因此通過(guò)這些規(guī)則，頻譜管理者就能以更為靈活的方式來(lái)管理寶貴的頻譜資源。

2 認(rèn)知無(wú)線電的歷史和概念

從以上介紹可以看出，為了提高頻譜利用率，可以充分利用檢測(cè)到的“頻譜空洞”。這是認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的一項(xiàng)應(yīng)用。但是，作為一個(gè)全新概念提出的認(rèn)知無(wú)線電，其涵蓋面則更為廣泛。認(rèn)知無(wú)線電的基本定義可歸納為［1］：認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio）是可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統(tǒng)。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)通過(guò)學(xué)習(xí)，不斷地感知外界的環(huán)境變化，并通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整其自身內(nèi)部的通信機(jī)理來(lái)達(dá)到對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整一方面是為了改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面是為了提高頻譜資源的利用率。由此可以總結(jié)出認(rèn)知無(wú)線電所具有的特點(diǎn)是：

*對(duì)環(huán)境的感知能力

*對(duì)環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力

*對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng)性

*通信質(zhì)量的高可靠性

*對(duì)頻譜資源的充分利用

*系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性

認(rèn)知無(wú)線電是由MITRE公司的顧問(wèn)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院Joseph Mitola博士生和GERALD Q MAGUIRE， JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上明確提出的［2］，是對(duì)軟件無(wú)線電的進(jìn)一步的擴(kuò)展。認(rèn)知無(wú)線電采用無(wú)線電域的基于模型的方法對(duì)控制無(wú)線電頻譜使用的規(guī)則（如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時(shí)間模式等）進(jìn)行推理，通過(guò)無(wú)線電知識(shí)表示語(yǔ)言（RKRL）［3］，表述無(wú)線電規(guī)則、設(shè)備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡(luò)、用戶(hù)需求和應(yīng)用場(chǎng)景的知識(shí)，以增強(qiáng)個(gè)人業(yè)務(wù)的靈活性，使軟件無(wú)線電技術(shù)能更好地滿(mǎn)足用戶(hù)需求。