基于认知无线电频谱感知技术的研究

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1、第1章引言第1章引言1.1认知无线电的研究意义及背景随着信息时代的到来，无线频谱已成为现代社会不可或缺的宝贵资源。它目前主要由国家统一分配授权使用，一个频段一般只能供一个无线通信系统独立使用，这种静态的无线频谱管理方式，简单而有效的避免了不同无线通信系统间的相互干扰。但是在这些已分配的授权频段与非授权频段中存在着频谱资源利用的不平衡性：一方面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，但其中不少频段处于空闲状态；另一方面，开放使用的非授权频段占整个频谱资源的很少一部分，但在该频段上的用户很多，业务量也很大，无线电频段已基本趋于饱和。于是在无线和移动通信迅速发展的今天，频谱

2、资源贫乏的问题也显得日益严重。因此，寻求一种更有效的频谱管理方式，充分利用各地区、各时间段的空闲频段，缓解不断增长的频谱的需求矛盾，成为人们关注的问题。为了解决上述问题，基本思路就是尽量提高现有已分配频谱的利用率。于是，认知无线电的概念应运而生。其基本思想是：具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机（OpportunisticWay）”的方式接入授权的频段内，并动态地利用频谱。这种在空域、时域和频域中出现的未被利用的频谱资源被称为“频谱空穴”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空穴”并合理利用这些频谱空穴的能力。认知无线电（CR，Cognitive

3、Radio）技术的兴起和发展为解决无线频谱资源紧缺的问题提供了全新的途径。它通过允许认知用户自适应地感知授权频段在时间和空间上的频谱空穴，机会式地利用空穴进行信号传输，达到提高频谱的利用率的目的。CR还使得无线通信系统可不经授权地使用传输特性更好、带宽更宽的频段，有利于平衡通信的成本和性能；同时，宽带无线通信系统通常所具有大动态范围的业务流量特性，正适合于在较宽的动态可用频段内进行机会式传输。因此，引入认知机制不仅是提高未来无线通信系统频谱利用问题的有效途径，也是技术和应用上的迫切需求。1.2认知无线电的概念在认知无线电的发展过程中，对于认知无线电的定义和其功能的认识存

4、在不同的观点。其中具有代表性的是以Mitola为首的瑞典皇家科学院和美国联邦通信委员会（FCC）的观点，其他的还有以Rieser为首的维吉利亚技术中心以及英1成都理工大学硕士学位论文国伯明翰大学SimonHaykin的观点等等。[2]认知无线电的概念最初是由JosephMitola提出，Mitola认为软件定义无线电（SDR，SoftwareDefinedRadio）是认知无线电实现的理想平台。认知无线电使软件定义无线电从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。认知无线电是指无线电的内部工作状态是可知的，通过无线电知识描述语言（RKRL，RadioKnowle

5、dgeRepresentationLanguage），采用基于用户需要的自动推理方式与网络进行智能交流。其核心思想是具有学习能力，能与周围环境交换信息，感知和利用该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。因此其认知功能的实现主要在应用层或更高层。FCC提出的认知无线电功能是一个相对简化的版本，它建议只要能够具有自适应频谱感知功能的任何一种无线电都可称为是认知无线电。FCC提出采用认知无线电技术实现开放频谱系统，即合法的授权用户具有高的优先权接入频谱，而具有认知功能的非授权用户可在对授权用户不造成干扰的情况下机会方式接入频谱。[3]Rieser认为Mitola提出的基于人

6、工智能的认知系统受限于硬件平台的计算能力，且不能够适应快速变化的网络。他们指出认知无线电不一定需要软件定义无线电的支撑，采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和介质接入控制层（MAC）的演进过程建模，更适用于可快速部署的灾后应急通信系统。[4]SimonHaykin教授结合Mitola博士和FCC对认知无线电的解释，于2005年重新定义了认知无线电，他认为认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数（比如传输功率、载波频率和调制技术等），使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以

7、达到任何时间任何地点高度可靠通信和频谱有效利用的目的。1.3认知无线电技术的国内外发展现状认知无线电技术的实现需要频谱管理政策的支持。近几年一些频谱政策管制[1]部门，如美国联邦通信委员会（FCC）对该技术给予了积极的支持。2002年12月，FCC指出非授权频段设备如要在授权频段内使用，应具备能够识别未占用频段的能力；2003年11月，FCC提出了新的量化和管理干扰的指标值——干扰温度的概念，以扩展在移动和卫星频段的非授权操作；2003年12月，FCC公布了《使用认知无线电技术促进频谱利用的通知》，就相当于美国电波法的《FCC规则第15章