基于認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的研究

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1、第1章引言第1章引言1.1認(rèn)知無線電的研究意義及背景隨著信息時代的到來，無線頻譜已成為現(xiàn)代社會不可或缺的寶貴資源。它目前主要由國家統(tǒng)一分配授權(quán)使用，一個頻段一般只能供一個無線通信系統(tǒng)獨(dú)立使用，這種靜態(tài)的無線頻譜管理方式，簡單而有效的避免了不同無線通信系統(tǒng)間的相互干擾。但是在這些已分配的授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段中存在著頻譜資源利用的不平衡性：一方面，授權(quán)頻段占用了整個頻譜資源的很大一部分，但其中不少頻段處于空閑狀態(tài)；另一方面，開放使用的非授權(quán)頻段占整個頻譜資源的很少一部分，但在該頻段上的用戶很多，業(yè)務(wù)量也很大，無線電頻段已基本趨于飽和。于是在無線和移動通信迅速發(fā)展的今天，頻譜

2、資源貧乏的問題也顯得日益嚴(yán)重。因此，尋求一種更有效的頻譜管理方式，充分利用各地區(qū)、各時間段的空閑頻段，緩解不斷增長的頻譜的需求矛盾，成為人們關(guān)注的問題。為了解決上述問題，基本思路就是盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率。于是，認(rèn)知無線電的概念應(yīng)運(yùn)而生。其基本思想是：具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)（OpportunisticWay）”的方式接入授權(quán)的頻段內(nèi)，并動態(tài)地利用頻譜。這種在空域、時域和頻域中出現(xiàn)的未被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空穴”。認(rèn)知無線電的核心思想就是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并合理利用這些頻譜空穴的能力。認(rèn)知無線電（CR，Cognitive

3、Radio）技術(shù)的興起和發(fā)展為解決無線頻譜資源緊缺的問題提供了全新的途徑。它通過允許認(rèn)知用戶自適應(yīng)地感知授權(quán)頻段在時間和空間上的頻譜空穴，機(jī)會式地利用空穴進(jìn)行信號傳輸，達(dá)到提高頻譜的利用率的目的。CR還使得無線通信系統(tǒng)可不經(jīng)授權(quán)地使用傳輸特性更好、帶寬更寬的頻段，有利于平衡通信的成本和性能；同時，寬帶無線通信系統(tǒng)通常所具有大動態(tài)范圍的業(yè)務(wù)流量特性，正適合于在較寬的動態(tài)可用頻段內(nèi)進(jìn)行機(jī)會式傳輸。因此，引入認(rèn)知機(jī)制不僅是提高未來無線通信系統(tǒng)頻譜利用問題的有效途徑，也是技術(shù)和應(yīng)用上的迫切需求。1.2認(rèn)知無線電的概念在認(rèn)知無線電的發(fā)展過程中，對于認(rèn)知無線電的定義和其功能的認(rèn)識存

4、在不同的觀點(diǎn)。其中具有代表性的是以Mitola為首的瑞典皇家科學(xué)院和美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的觀點(diǎn)，其他的還有以Rieser為首的維吉利亞技術(shù)中心以及英1成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文國伯明翰大學(xué)SimonHaykin的觀點(diǎn)等等。[2]認(rèn)知無線電的概念最初是由JosephMitola提出，Mitola認(rèn)為軟件定義無線電（SDR，SoftwareDefinedRadio）是認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)的理想平臺。認(rèn)知無線電使軟件定義無線電從預(yù)置程序的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成為無線電領(lǐng)域的智能代理。認(rèn)知無線電是指無線電的內(nèi)部工作狀態(tài)是可知的，通過無線電知識描述語言（RKRL，RadioKnowle

5、dgeRepresentationLanguage），采用基于用戶需要的自動推理方式與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流。其核心思想是具有學(xué)習(xí)能力，能與周圍環(huán)境交換信息，感知和利用該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。因此其認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)主要在應(yīng)用層或更高層。FCC提出的認(rèn)知無線電功能是一個相對簡化的版本，它建議只要能夠具有自適應(yīng)頻譜感知功能的任何一種無線電都可稱為是認(rèn)知無線電。FCC提出采用認(rèn)知無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)開放頻譜系統(tǒng)，即合法的授權(quán)用戶具有高的優(yōu)先權(quán)接入頻譜，而具有認(rèn)知功能的非授權(quán)用戶可在對授權(quán)用戶不造成干擾的情況下機(jī)會方式接入頻譜。[3]Rieser認(rèn)為Mitola提出的基于人

6、工智能的認(rèn)知系統(tǒng)受限于硬件平臺的計(jì)算能力，且不能夠適應(yīng)快速變化的網(wǎng)絡(luò)。他們指出認(rèn)知無線電不一定需要軟件定義無線電的支撐，采用基于遺傳算法的生物啟發(fā)認(rèn)知模型對傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)的物理層和介質(zhì)接入控制層（MAC）的演進(jìn)過程建模，更適用于可快速部署的災(zāi)后應(yīng)急通信系統(tǒng)。[4]SimonHaykin教授結(jié)合Mitola博士和FCC對認(rèn)知無線電的解釋，于2005年重新定義了認(rèn)知無線電，他認(rèn)為認(rèn)知無線電是一個智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時改變某些操作參數(shù)（比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計(jì)性變化，以

7、達(dá)到任何時間任何地點(diǎn)高度可靠通信和頻譜有效利用的目的。1.3認(rèn)知無線電技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀認(rèn)知無線電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要頻譜管理政策的支持。近幾年一些頻譜政策管制[1]部門，如美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）對該技術(shù)給予了積極的支持。2002年12月，F(xiàn)CC指出非授權(quán)頻段設(shè)備如要在授權(quán)頻段內(nèi)使用，應(yīng)具備能夠識別未占用頻段的能力；2003年11月，F(xiàn)CC提出了新的量化和管理干擾的指標(biāo)值——干擾溫度的概念，以擴(kuò)展在移動和衛(wèi)星頻段的非授權(quán)操作；2003年12月，F(xiàn)CC公布了《使用認(rèn)知無線電技術(shù)促進(jìn)頻譜利用的通知》，就相當(dāng)于美國電波法的《FCC規(guī)則第15章