认知无线电
认知无线电技术
认知无线电技术什么是认知无线电技术？认知无线电技术，又称为认知无线电系统，是一种通过利用电磁波的传播特性，对无线电频率进行智能管理和利用的技术。
它通过对周围无线电频谱的监测、识别和分析，实现了无线电频谱的高效利用。
与传统的固定频率使用方式不同，认知无线电技术可以动态地调整无线电频率以避免和其他无线电设备的干扰，从而提高了频谱的利用效率。
认知无线电技术的应用可以涵盖通信、雷达、导航和遥感等领域。
认知无线电技术的发展历程认知无线电技术的发展可以追溯到20世纪90年代初期，当时，波束赋形和频率聚焦技术逐渐成熟，很多无线电设备都已经实现了数字化处理。
在这样的背景下，研究人员开始寻求一种新的方式来提高频谱利用率，避免信号干扰现象的发生。
2002年，美国电子电气工程师学会（ IEEE）提出了认知无线电技术的概念。
2003年，美国国防部开始为研究该技术的应用和发展提供资金支持。
此后，越来越多的研究机构和企业开始加入到认知无线电技术的研究和应用之中。
近年来，认知无线电技术在国内外的研究和应用得到了广泛关注和推广。
认知无线电技术的特点1.智能管理认知无线电技术可以自主地对无线电频率进行管理和利用，通过智能的处理能力，动态地调整无线电的频率范围、幅度和波形等，适应不同的环境和需求。
2.高效利用认知无线电技术可以避免固定频率使用方式下的频谱浪费和干扰问题，提高了频谱的利用效率。
通过对周围无线电环境的优化感知和调节，可以实现更多无线电设备的共存，满足满足不同的通信需求。
3.低成本与固定频率使用方式相比，认知无线电技术可以减少硬件设备的需要，降低成本和能耗。
4.安全可靠认知无线电技术可以减少不必要的信号干扰和频谱浪费，提高了无线电设备的安全性和可靠性，避免了频繁的通信中断和信息传输错误。
认知无线电技术的应用认知无线电技术已经应用在多个领域中，下面列举几个具体的应用：1. 通信认知无线电技术可以大大提高无线电频谱的利用效率，支持更多的数据传输和接受，同时减少了传输中的干扰和浪费，提高了通信的速度和可靠性。
浅谈认知无线电技术
汇报人：文小库2023-11-17•认知无线电技术概述•认知无线电技术的原理与技术•认知无线电技术的优势与挑战•认知无线电技术的发展趋势与展望•认知无线电技术的实际应用案例认知无线电技术概述01认知无线电（Cognitive Radio, CR）是一种智能无线电通信技术，能够感知并理解周围的无线电环境，动态地调整其传输参数，如频率、功率等，以提高无线频谱的利用效率。
认知无线电的特点主要包括灵活性、自适应性、智能性和环保性。
它能够根据无线电环境的实时变化来动态调整传输参数，以适应不同的通信需求和保障通信质量。
此外，认知无线电还具有节能环保的优势，能够有效地利用无线频谱资源，缓解频谱资源紧张的问题。
定义和特点VS认知无线电技术的研究始于20世纪90年代，随着无线通信技术的快速发展和频谱资源的日益紧张，认知无线电技术逐渐成为研究的热点。
各国政府和企业纷纷投入大量的人力和物力资源进行认知无线电技术的研究和开发。
目前，认知无线电技术已经取得了显著的进展，各种先进的认知无线电技术和系统不断涌现。
未来，认知无线电技术将继续朝着智能化、自适应性和节能环保等方向发展，为无线通信技术的发展带来更多的创新和突破。
认知无线电技术的历史与发展认知无线电技术可以应用于各种无线通信系统，如移动通信、卫星通信、物联网、智能家居等。
在这些系统中，认知无线电技术可以通过感知周围无线电环境的变化，动态地调整传输参数，提高频谱利用效率，保障通信质量。
例如，在移动通信系统中，认知无线电技术可以感知并避免干扰，提高频谱利用效率，增加网络容量和覆盖范围。
在卫星通信系统中，认知无线电技术可以通过动态地调整传输参数，适应不同卫星的运动轨迹和通信需求，保障通信质量。
认知无线电技术的应用场景认知无线电技术的原理与技术02认知无线电技术通过感知无线电环境，理解信号传播特性，从而获取空闲频谱的机会。
通过构建频谱地图，对频谱使用情况进行记录和分析，为后续的频谱管理和优化提供数据支持。
认知无线电技术的研究与优化
认知无线电技术的研究与优化认知无线电技术是近年来发展最为迅速的无线电技术之一。
其核心思想是通过对无线电频谱的实时监测和分析，实现对无线电频道的自适应管理和智能分配。
因此，它被广泛应用于无线电资源共享和频谱利用效率提高的领域。
本文将从认知无线电技术的原理、应用领域以及研究与优化方向三个方面，为读者详细介绍认知无线电技术。
一、认知无线电技术的原理认知无线电技术的核心是通过实时监测和分析无线电频谱，获取频道的使用状况、空余容量等信息，从而实现对频谱的自适应管理和智能分配。
其优点是可以最大程度地提高频谱的利用效率，避免频谱的浪费和瓶颈发生。
认知无线电技术通常由以下五个主要模块组成：1.感知模块：监测和获取频谱信息。
2.推理模块：处理并分析感知模块采集的频谱信息，识别出当前频率和频道的使用情况，以及可用频道的数量和容量等相关信息。
3.规划模块：根据推理模块的结果，制定出合理的频道分配方案。
4.执行模块：根据规划模块的方案，执行相应的频道分配和调度操作。
5.反馈模块：监测和评估执行模块的操作效果，从而不断优化系统的性能和效率。
二、认知无线电技术的应用领域认知无线电技术可以应用于多个领域，如无线电资源共享、物联网通信、移动通信等。
下面将分别阐述其在这些领域中的应用场景和具体实现方式。
1.无线电资源共享。
传统的无线电频谱管理方式是采用独占或分段的方式，导致频谱利用效率低下和频谱浪费。
而认知无线电技术可以通过对频谱进行智能识别和分配，实现多用户共享同一频谱，从而最大化地提高了频谱利用效率。
例如，无线电电视的频谱资源一般处于一种相对稳定的状态，而认知无线电技术可以将这些空闲的频率分配给无线局域网或蜂窝通信等其他应用，以增强频谱利用效率。
2.物联网通信。
随着物联网智能家居、智能医疗等应用的快速发展，对于频谱的需求也在不断增长。
而传统的物联网无线通信方式存在频谱资源有限、信道干扰严重等问题。
而认知无线电技术则可以通过对频率的实时检测和分析，选择最优的频谱资源和信道，从而实现物联网通信的高效性和可靠性。
通信电子中的认知无线电技术及其应用
通信电子中的认知无线电技术及其应用随着科技的进步和社会的发展，通信电子技术也在不断发展和创新。
在通信电子技术中，认知无线电技术是一种新兴的技术，在无线通信领域中具有广阔的应用前景。
一、认知无线电技术的概念和基础认知无线电技术是指利用软件定义无线电、人工智能、信号处理、数字信号处理等技术，实现对无线电频道进行智能管理和优化的技术。
这种技术可以根据不同的频谱需求，灵活地分配和管理无线电频道资源，提高无线电频谱的利用效率。
认知无线电技术的基础有两个方面：一是利用传感器和信号处理技术对无线电频谱进行感知和分析，得到频段利用率等信息；二是利用软件定义无线电技术实现软硬件分离，通过软件对电路基带处理的特性进行定义，实现对无线电频谱的智能管理。
二、认知无线电技术的应用1. 无线电频谱智能调配作为认知无线电技术的一项基本应用，无线电频谱智能调配可以根据不同的频道需求，动态地分配和管理频道资源，最大程度地提高无线电频谱的利用率。
例如，可以利用认知无线电技术在不影响现有无线电通信的前提下，为新兴无线电通信提供频谱资源，推动新兴无线电通信的发展。
此外，还可以通过认知无线电技术，实现对无线电信号的自适应调配，提高信噪比，优化无线电传输质量。
2. 无线电频谱安全保障认知无线电技术可以通过对无线电频谱的感知和分析，实现对频段的实时监控和管理，及时识别并干扰恶意无线信号，保障无线电频谱的安全性。
此外，认知无线电技术还可以通过对频段和信号环境的特征分析，实现对无线电收发机的远程识别，防止非法设备对无线电频谱的侵占。
3. 智能无线电网认知无线电技术可以实现对无线电频谱使用的智能管理和优化，进而在无线电通信领域中推动智能无线电网的发展。
智能无线电网建立在认知无线电技术的基础上，可以实现无线电通信网络的监控、管理、调控和优化，保证无线电通信的稳定性和可靠性。
三、认知无线电技术面临的挑战和发展方向认知无线电技术的发展还面临一些挑战，如频谱感知技术、测试和验证技术、信号处理技术、智能算法等。
认知无线电体系结构分析
认知无线电体系结构分析认知无线电是一种新生的无线通信技术，它在频谱管理、网络优化等方面有着广泛的应用。
为了更好地实现认知无线电通信，需要建立合理的认知无线电体系结构。
本文将从多个方面进行分析，为读者呈现认知无线电体系结构。
一、认知无线电的定义和特点认知无线电是指一类能够自主建立模型、利用地理信息和环境关键指标，自动或半自动感知和操作无线电频谱的系统的技术。
它具有动态频谱分配和利用的能力，能够有效地提高无线电频谱利用率、提升通信性能，优化用户体验，是无线电通信的一种重要技术。
二、认知无线电的体系结构认知无线电体系结构主要分为网络体系结构、射频体系结构、通信协议体系结构。
1. 网络体系结构认知无线电网络体系结构是指由认知无线电通信设备、认知控制器、认知网关节点和认知管理服务器等组成的网络结构。
其主要功能是通过自主感知、分析和决策无线电环境，实现频谱监测、动态频谱分配和网络管理等任务。
2. 射频体系结构认知无线电射频系统主要包括软件定义的无线电设备、DAA-PCB电路板和射频前端等元件。
这些元件协调工作，使得无线电设备具有高度的智能化完成频谱感知、数据处理、通信控制。
3. 通信协议体系结构认知无线电通信协议体系结构是实现认知无线电通信所必需的协议总称，本质上是在数据链路层之上，对认知无线电设备所提供的通信服务的控制，使用其设备优化频谱利用。
该部分主要涉及到物理层、数据链路层、网络层，需要确保不同节点间的信息交流顺畅、安全可靠。
三、认知无线电体系结构分析认知无线电体系结构是一种比较复杂的分布式结构体系，其设计需要考虑众多因素，一些主要方面如下：1.取决于射频前端设计的电路过程，越复杂有更好的效果，同时需要考虑成本限制。
2. 系统中大量节点间的互相操作请求，数据必须很好地调配以提高信道使用率。
3. 必须要有高精度的感知与反应，以满足对频谱使用状态的无缝控制。
4. 系统需要优化节点的选择算法以实现快速定位，这对连通性和频谱效果有很大的影响。
认知无线电技术
认知无线电（CR）的概念源自约瑟夫·米托拉（Joseph mitola）博士1999年的基础研究。
其核心思想是认知无线电（CR）具有学习和与周围环境互动的能力，以感知和利用卫星中的可用频谱。
空间，并限制和减少冲突的发生。
认知无线电（CR）的学习能力是使其从概念到实际应用的真正原因。
有了足够的AI，您可以从过去的经验中学到可以实时响应实际情况，包括死区，干扰和使用模式的知识。
这样，Cr使无线电设备可以根据频段可用性，位置和过去的经验来确定使用哪个频段。
随着许多CR相关研究的发展，对Cr技术的理解也不同。
最典型的模型是米托拉博士基于机器学习和模式推理的认知周期模型。
他们强调软件定义无线电（SDR）是CR的理想平台。
考虑到Cr研究的各种描述，美国FCC提出了CR的简化版本。
他们在fcc-03322中提出，任何具有自适应频谱意识的无线电都应称为认知无线电CR。
FCC更准确地将CR定义为一种无线电，它可以根据其与操作环境的相互作用来动态更改其发射机参数。
具有环境感知和传输参数自修改功能。
Cr是一种新型的无线电，可以可靠地感知宽带上的频谱环境，检测合法授权用户（主要用户）的出现，并可以自适应地占用立即可用的本地频谱。
同时，它不会在整个通信过程中对主要用户带来有害干扰。
无线环境中的无线信道和干扰将随时间变化，这意味着CR将具有高度的灵活性。
Cr的应用主要基于FCC的观点，因此也称为频谱捷变无线电，机会频谱接入无线电等。
目前，在频谱政策管理部门的推动下，一些标准化组织采用了CR技术，并制定了一系列标准来促进Cr技术在各种应用场景中的发展。
例如，IEEE 802.22工作组正在为无线LAN 上的WLAN开发基于CR的空中接口标准。
其目标是有效利用分配给电视广播的VHF / UHF 频段的空闲信道；IEEE802.16工作组正在研究H版本标准，并致力于改进策略，MAC增强和其他机制，以确保基于WiMAX的自由系统和授权系统之间的授权系统共存。
认知无线电
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通常一个博弈过程包括五个方面： 通常一个博弈过程包括五个方面： 1、参与者： 博弈中进行独立决策的参与者也称为局中人 2、策略： 在每一局博弈中，参与者都会选择一种实际可行的方案 3、信息： 它是参与者选择策略的前提 4、次序： 由于每个博弈方的决策有先后之分，所做的决策也不止一 次，这样就产生了次序。 5、得失： 博弈的结果称为得失。
2、认知无线电原理
无线环境
发射信号
频谱激励 频 谱 感 知
频 谱 判 决
信道容量 频谱分析
频谱信息
认知无线电原理图
3、认知无线电的特点 、
1.对环境的感知能力 2.对环境变化的学习能力 3.对环境变化的自适应性 4.通信质量的高可靠性 5.对频谱资源的充分利用 6.系统功能模块的可重构性
频谱分配
LB = {ln.m • b n.m }N ×M
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• 干扰矩阵集合
C = {cn ,k ,m c
n,k ,m
∈ {0,1}}N × N ×M
• 无干扰的频谱分配矩阵
A = {an ,m an ,m ∈ {0,1}}N ×M
A必须满足无干扰条件：
基于着色理论的 频谱分配方法具 有时间开销小的 优点，但精度不 够高。
一、概念
频谱分配就是根据需要接入系统用户数目及其服务 要求将频谱分配给一个或多个指定用户。 频谱分配的主要目的就是通过一个自适应策略有效 的选择和利用空闲频谱。利用动态频谱分配策略，可有 效的提高无线通信的灵活性，使授权用户和非授权用户 之间避免冲突，公平地享有频谱资源，满足用户因不同 业务而不断变化的需求。
认知无线电的基础知识
1、认知无线电(Cognitive Radio,CR)概念 认知无线电(Cognitive Radio,CR)概念
认知无线电成功案例
认知无线电成功案例
认知无线电（Cognitive Radio）是一种智能无线通信技术，它能够通过感知环境并据此自主地选择最佳的频谱资源进行通信。
这种技术已经在许多领域得到应用，并且取得了一些成功的案例。
以下是一些认知无线电成功案例的例子：
1. 军事通信：在军事通信领域，认知无线电可以通过实时频谱感知，自主地选择最佳的频段进行通信，从而提高通信的安全性和灵活性。
2. 智能城市：在智能城市和物联网应用中，认知无线电可以帮助无线网络更好地适应环境变化，优化频谱利用，并且提高网络容量和覆盖范围。
3. 电力系统：在电力系统中，认知无线电可以用于智能电力网，通过对频谱使用的优化，提高电网的可靠性和效率。
4. 紧急救援：在紧急救援通信中，认知无线电可以实时感知通信环境，为救援人员提供更可靠的通信支持，保证通信的可用性。
这些都是认知无线电成功应用的案例，表明其在不同领域具有广泛的应用前景。
随着认知无线电技术的不断发展，相信会有越来越多的成功案例涌现。
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International Standardization of Cognitive Radio Systems（CRS的国际标准）
认知无线电概述
认知无线电系统的基本概念 认知无线电系统的国际标准
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认知无线电概述
认知无线电的发展背景
认知无线电的概念和特点 认知无线电的基本原理与关键技术 认知无线电的发展现状
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CRS的分类-异构型
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CRS的分类-异构型
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CRS的分类-异构型
部署方案二：
移动无线路由把多个无线电系统和终端连接起来。
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CRS的分类-频谱共享型
使用相同或不同的接入技术的CRS能够共享相 同的频带。 部署方案一： 多个无线电接入网络在未授权频带上运行。 部署方案二： 次级系统在电视广播运营商的频谱空穴上运行。 （注意：必须保证对广播电视服务的保护，并 且能让主次系统的共存）
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认知无线电的发展背景
无线频谱现 状： 频谱资源紧 张，很多国 家差不多已 经将可用频 谱资源分配 完毕。留给 新系统、业 务和技术的 频谱很少甚 至没有频谱 可分配。
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认知无线电的发展背景
上图是美国纽约的频谱利用情况： 频谱利用率仅15%-20%（授权频谱）。
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认知无线电的发展背景
传统硬件无线电 在硬件中执行所有的无线电功能，任何功能变 化都要求用物理手段实现。所有无线电都能够 进行调谐以选取特定(有限制的)频率范围，而 改变这种调谐需要一定时间。传统上，在无线 电硬件中定义了这些调谐特性，目的是使这些 特性可编程化。
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频谱 感知 频谱 分析 频谱 决策
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检测可用频带，发现频谱空穴
通过频谱感知得到并归纳频谱空 穴的频谱特征
认知 能力
根据用户的QOS需求和决策准则 ，选出一组和适合频带
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认知无线电的基本原理与关键技术
认知环
发射信号
无线环境
射频激励
频谱判决
频谱空洞信息
频谱感知
射频激励
频谱空洞信息 信道容量
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认知无线电系统的基本概念
认知无线电系统的定义
认知无线电系统的基本特性 认知无线电系统的分类
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认知无线电系统的定义
ITU-R WP 1B的定义： 认知无线电系统是引进如下技术的无线电系 统： 允许系统获取关于自身运行环境和地理环境， 已建立政策以及自身内部状态的有关信息； 根据已获信息动态自主地调整运行参数和礼 仪来达到预期目标； 学习获得的结果。
Channel Pooling Server
Spectrum Analysis Engine Scanning Engine
认知无线电结构
Processor Processor Data Modem Modem Data
Antenna Sharing Module
Transmitter Transmitter andReceiver Receiver and
基本原理 CR设备对周围环境感知、探测、分析，这种探测和感知是全 方位的，应对地形、气象等综合信息也有所了解。由此图也可 得出，CR是高智能设备，应包含一个智能收发器。有了足够的 人工智能，它就能吸取过去的经验对实际情况进行响应，过去 的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。它的学习能力 是使它从概念走向应用的真正原因。
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认知网络
采用认知无线电技术的认知无线电网络，由于其 独特的频谱复用性和巨大的覆盖范围，呈现出一 些不同于以往传统网络的特点： (1) 在多系统共存条件下，分配无线资源。用 户间的链接需要进行有效的控制和管理，同时满 足延迟和带宽要求，实现数据传输调度。在数据 传输调度时需要考虑以下几个因素：与交叠的认 知无线电小区的共存、业务流对应的调度业务、 业务流的服务质量(QoS)参数值、数据传输的可靠 性和所分配的带宽容量。
CRS自身内部状态： 自身配置（比如，无线电使用的频带，礼仪）， 流量负载分布，传输功率。 已建政策 比如，CRS应该避免对其他无线电系统造成有 害干扰0
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CRS基本特性-获取信息
获取信息的方法： 从无线电系统设备中收集信息 地理定位 频谱感应 频谱空穴数据库接入 认知辅助信道的接入
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认知无线电的基本原理与关键技术
频谱 分析 频谱 感知
频谱 共享 频谱移动 性管理 路由设计
频谱 决策 认知无线 电网络的
安全问题
传输层协议
跨层设计
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认知无线电的基本原理与关键技术
关键技术 频谱检测 匹配滤波器法 能量检测法 循环平衡特定检测法 协作检测 自适应传输技术 OFDM 协作检测 UWB 频谱管理 目前各种基于CR的频谱管理思想和管理规则仍在研究 之中。
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认知无线电的基本原理与关键技术
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认知无线电的发展现状
目前，认知无线电技术炙手可热，应用前景一 片大好。有报道称具有认知功能的无线局域网 产品将在近一两年内问世，但是要真正实现CR 技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱 资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术 问题。 最引人关注的项目是IEEE802.22工作组的工作， 该工作组制订了利用空闲电视频段进行宽带无 线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线 电概念的IEEE技术标准化活动。
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CRS基本特性-调整参数
包括两个方面： 决策与重构 CRS拥有智能的管理系统，该系统能 够作出决定是否进行参数和礼仪的调整。 然后对输出功率，频带，无线接入 技术等参数进行重构。
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CRS基本特性-学习能力
从先前的调整结果中学习来改善自身性 能。
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认知网络
(2) 系统应该具有多信道支持能力。中心控制器在 需要情况下应该能够将多个邻近频道进行聚合处理以改 善系统性能，支持更多的用户使用并占据更广的覆盖面 。它可以在一些控制帧中指示用户终端哪些信道可以聚 合成组以供使用，而用户则可以相应地采用多信道模式 工作。中心控制器要具有能够处理跨越多个子信道的上 下行传输能力，并且随着信道数量变化及时调整调度工 作。信道分组使用同时也提高了带宽利用率。主用户检 测程序和分布式感知能力为多信道操作的可行性提供了 保证。
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认知无线电的发展背景
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认知无线电的概念和特点
概念的提出：
认知无线电(Cognitive Radio)这个术语首先是 Joseph Mitola在软件无线电概念的基础上提出 的。 其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环 境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频 谱，并限制和降低冲突的发生。
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认知无线电的发展背景
如何才能提高频谱 利用率呢？
频分复用 时分复用 蜂窝小区
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认知无线电的发展背景
传统技术在一定程度上提高频谱利用率和 传输容量，即便如此，频率资源问题仍旧 突出。
认知无线电的提出在一定程度上减缓了频 率资源短缺问题。
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认知无线电的概念和特点
两个概念：
FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变 发射机参数的无线电” Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR 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 达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信； 对频谱资源的有效利用。”
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认知无线电的概念和特点
认知无线电的出发点即是：在不影响授权频段的正常通信
的基础上，具有“认知功能”的无线通信设备（认知用户） 可以接入授权的频谱内，并动态地利用频谱。
定义授权频段的拥有者为“主用户”，当主用户的授权频
段空闲时，能以一种动态的方式占用授权频段的用户为 “认知用户”。
频谱分析
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认知无线电的基本原理与关键技术
基于环境信息，确 定工作频谱
工作 频谱
根据用户需求和新 到环境重置调制机 制
通信 技术
重配置能力
传输 功率
调制
认知无线电也能用 来在不同的通信系 统中提供协同工作 的能力
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如果不需要高功率操作， 认知无线电会降低传输功 率来允许更多用户共享频 谱并减少干扰
授权型
重构型
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CRS的分类-异构型
应用特定的RAT，这 样的终端可以连接特 定的运营商，或者其 他与该运营商有漫游 协议的运营商
终端
能够自我重构来应用 不同的RAT，相应的， 它可以在不同无线接 入网络之间切换。