認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的原理與發(fā)展趨勢(shì)

隨著無(wú)線通信需求的不斷增長(zhǎng)，對(duì)無(wú)線通信技術(shù)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高。根據(jù)香農(nóng)信息理論，這些通信系統(tǒng)對(duì)無(wú)線頻譜資源的需求也相應(yīng)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致適用于無(wú)線通信的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無(wú)線通信發(fā)展的新瓶頸。另一方面，已經(jīng)分配給現(xiàn)有很多無(wú)線系統(tǒng)的頻譜資源卻在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置。因此，人們提出采用認(rèn)知無(wú)線電(CR)技術(shù)，通過(guò)從時(shí)間和空間上充分利用那些空閑的頻譜資源，從而有效解決上述難題。

這一思想在2003年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的《關(guān)于修改頻譜分配規(guī)則的征求意見通知》中得到了充分體現(xiàn)，該通知明確提出

采用CR技術(shù)作為提高頻譜利用率的技術(shù)手段。此后，CR技術(shù)受到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，成為了無(wú)線通信研究和市場(chǎng)發(fā)展的新熱點(diǎn)。然而，CR技術(shù)從理論到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，還面臨很多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括了技術(shù)、政策和市場(chǎng)等諸多方面。本文從技術(shù)的角度，總結(jié)分析CR的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)將來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 認(rèn)知無(wú)線電基本原理

1.1 認(rèn)知無(wú)線電的概念與特征

自1999年“軟件無(wú)線電之父”Joseph Mitola Ⅲ博士首次提出了CR的概念并系統(tǒng)地闡述了CR的基本原理以來(lái)，不同的機(jī)構(gòu)和學(xué)者從不同的角度給出了CR的定義[1-3]，其中比較有代表性的包括FCC 和著名學(xué)者Simon Haykin教授的定義。FCC認(rèn)為：“CR是能夠基于對(duì)其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線電”[4]。Simon Haykin則從信號(hào)處理的角度出發(fā)，認(rèn)為：“CR是一個(gè)智能無(wú)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(guò)實(shí)時(shí)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(wú)線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化，以達(dá)到以下目的：任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信;對(duì)頻譜資源的有效利用。”

總結(jié)上述定義，CR應(yīng)該具備以下2個(gè)主要特征：

(1) 認(rèn)知能力

認(rèn)知能力使CR能夠從其工作的無(wú)線環(huán)境中捕獲或者感知信息，從而可以標(biāo)識(shí)特定時(shí)間和空間的未使用頻譜資源(也稱為頻譜空洞)，并選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。這一任務(wù)通常采用圖1所示的認(rèn)知環(huán)進(jìn)行表示，包括3個(gè)主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測(cè)可用頻段，檢測(cè)頻譜空洞;頻譜分析估計(jì)頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性;頻譜判決根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

(2) 重構(gòu)能力

重構(gòu)能力使得CR設(shè)備可以根據(jù)無(wú)線環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，從而允許CR設(shè)備采用不同的無(wú)線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。可以重構(gòu)的參數(shù)包括：工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。

重構(gòu)的核心思想是在不對(duì)頻譜授權(quán)用戶(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。一旦該頻段被LU使用，CR有2種應(yīng)對(duì)方式：一是切換到其它空閑頻段通信;二是繼續(xù)使用該頻段，但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案避免對(duì)LU的有害干擾。

1.2 認(rèn)知無(wú)線電與軟件無(wú)線電之間的關(guān)系

為了便于理解CR的基本原理，有必要將CR與軟件無(wú)線電(SDR)進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的定義，一個(gè)無(wú)線電設(shè)備可以稱為SDR的基本前提是：部分或者全部基帶或RF信號(hào)處理通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)處理軟件完成;這些軟件可以在出廠后修改[5-11]。

因此，SDR關(guān)注的是無(wú)線電系統(tǒng)信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方式;而CR是指無(wú)線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化，并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)。從這個(gè)意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號(hào)處理，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層功能。

2 認(rèn)知無(wú)線電物理層關(guān)鍵技術(shù)

通用的CR收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)合前文關(guān)于CR基本原理的討論，可以發(fā)現(xiàn)，CR物理層的關(guān)鍵技術(shù)包括：寬帶射頻前端技術(shù)、頻譜感知技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2.1 寬帶射頻前端技術(shù)

為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調(diào)諧到大頻譜范圍內(nèi)的任意頻帶。通用的寬帶射頻前端結(jié)構(gòu)如圖3所示，接收的信號(hào)通過(guò)放大、混頻和A/D轉(zhuǎn)換等步驟后送入基帶處理，進(jìn)行頻譜感知或數(shù)據(jù)檢測(cè)。其中，射頻濾波器通過(guò)通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號(hào);低噪放大器(LNA) 在放大所需信號(hào)的同時(shí)最小化噪聲;鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和混頻器聯(lián)合控制，將所需要的接收信號(hào)轉(zhuǎn)換到基帶或者中頻處理;信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾;自動(dòng)增益控制(AGC)維持很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號(hào)經(jīng)放大器的輸出功率恒定。

針對(duì)CR應(yīng)用，寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)檢測(cè)弱信號(hào)。為此，需要采樣速率高達(dá)幾吉赫茲的高速A/D轉(zhuǎn)換器，并且要求超過(guò)12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過(guò)陷波濾波器濾出強(qiáng)信號(hào)，降低信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍;或采用智能天線技術(shù)，通過(guò)空域?yàn)V波來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)濾出。