认知无线电学习笔记一：综述概述类
认知无线电学习笔记一:综述概述类
CNKI 2007.01.01—2008.09.03有关CR的概述类文献选读。
1.{Title}: 无线通信领域的“下一个大事件”——认知无线电{Author}: 韦海珍{Journal}: 通信对抗{Year}: 2007 {Issue}: 03 ★★
该文认为:CR是对SDR的进一步扩展,SDR只关注信号处理的软件实现,而CR则强调对无线环境的感知并据此调整系统的工作参数,是更高层的概念,不仅包括信号处理,还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。
作者认可的是FCC对CR的经典定义:CR是无线终端利用其与周围无线环境进行交互所获取的无线背景知识,调整传输参数、实现无线传输的能力。则具备了CR能力(环境感知探测能力和据此调整传输频点及相关传输参数的能力)的设备即为CR设备。认知用户(非授权的二级用户)可在对主用户(授权的一级用户)不造成干扰的情况下伺机接入可用频谱,从而在空间、时间、频率上实现对频谱资源的多维利用,提高频谱资源的利用率。显然CR 的真正运行还需要规则上的支持:FCC通过了《FCC规则第15章》修正案(2003.12);DARPA 拟定XG计划;IEEE成立802.22工作组(2004.10,WRAN);SDRF成立了CR小组。
该文章认为CR功能的实现基于一个认知循环的过程:始于无线电激励的被动感知,以做出反应行为而终止。一个基本的认知循环要经历3种基本过程,即无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测和频谱管理。但是文章对这3个基本过程的描述很不清楚,估计是参考某种特殊的CR实例而又没给出该实例。
作者总结的CR关键技术有三:准确、快速的频谱感知技术,自适应数据传输技术,动态频谱资源管理。
频谱感知分两个阶段:第一阶段检测感兴趣频段是否存在主用户信号,寻找可用的频谱资源;第二阶段在使用频谱资源的过程中要持续地检测外部环境,一旦主用户出现在所用频点上,认知用户要在第一时间感知到它的存在并尽快为其腾出信道(切换到其它空闲频点,或改变发射功率、调制模式以避免对主用户造成干扰)。多个认知用户之间共享感知信息的所谓协同感知,通过数据融合可提高检测可靠性,降低误判概率。
CR数据传输必须适应频带范围可能很宽且不连续这种情况。作者认为有两种基本途径,即多载波技术和基带信号发射波形设计,并推崇前者的OFDM技术,构成所谓的非连续OFDM(NC-OFDM)。自适应数据传输使CR的重构能力(设备的动态编程)尤为重要,这要基于SDR技术。
动态频谱资源管理的实现作者列出了两种方法:OFDM技术避开主用户的频点(overlay), UWB技术的是认知用户的干扰温度低于主用户可承受的干扰门限(underlay)。
作者认可利用UWB实现CR是最好的途径,即所谓的CUWB。UWB可根据CR得到频谱信息和动态频谱分配策略来自适应地构建系统的频谱结构,生成相应的频谱灵活的脉冲波形。CR和UWB的结合,使得CUWB一方面能根据功率、距离和数据率要求进行频谱优化,解决UWB的共存问题,另一方面UWB技术能帮助解决CR实现上遇到的诸如复杂射频前段设计等难题。
2.{Title}: 认知无线电:原理、技术与发展趋势{Author}: 王军李少谦(成电){Journal}: 中兴通讯技术{Year}: 2007 {Issue}: 03 ★★★
该文描述的内容有很多与1是相互重叠的,但角度和说法存在着差别。
原理介绍中首先给出的定义还是FCC的:“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。”这一定义很明了,但也失于过于简单缺乏操作性。而后给出了Simon
Haykin教授从信号处理角度下的定义:“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。”这个定义就富有操作性多了。
由定义作者总结出CR应具备的2个特征:其一为认知能力,其二为重构能力。认知能力的实现包括频谱感知、频谱分析和频谱判决3个步骤。这与文1中所谓认知循环的3个基本过程(无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测和频谱管理)是相对应的。重构能力指的是CR设备可以根据无线环境动态编程,从而允许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括:工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。CR的目标是在不对频谱授权用户产生有害干扰的前提下利用其空闲频谱提供可靠的通信服务。
SDR和CR是由同一个人——Joseph Mitola Ⅲ——先后提出的,二者的区别在于:SDR 关注的是无线电信号的处理方式,而CR是更高层的概念(文1称为对SDR的扩展),不仅包括信号处理,还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。
文中列举的CR物理层关键技术包含了文1的前两项(频谱感知技术和数据传输技术),可能认为频谱资源管理不属于物理层技术而舍弃之,并补充了一项,为宽带射频前端技术。对CR应用,宽带射频前段需要在大的动态范围内检测弱信号,直接实现非常困难,通常可考虑限波滤波器或通过智能天线的空域滤波来滤出强信号,降低剩余信号的动态范围。频谱感知中多个认知节点采取协同的方式有两种:集中式协同感知是指感知节点将本地感知结果送到BS(或AP)统一进行数据融合,做出决策;分布式系统感知则是各节点间相互交换感知信息,各节点独自决策。除单个节点的感知能力外,网络拓扑结构和数据融合方法也会影响到协同频谱感知的性能。文中对文1没有说明白的“基带信号发射波形设计”这一数据传输途径(另一为多载波)做了解释:通过在时、频或者码域设计特殊的发射波形,生成满足特定频谱形状的发射信号,如频域合成波形的变换域通信系统(TDCS)等。
关于CR的发展现状,文章列举的重要研究项目有:德国Karlsruhe大学的F.
K. Jondral 教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R. W.
Brodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流这方面的成果,许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。最引人关注的是IEEE802.22工作组的制定的利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准。
最后作者预计了CR的发展方向:一、基本理论和相关应用的研究,比如CR的信息论基础、与CR网络相关的频谱资源管理和跨层联合优化等技术;二、试验系统验证开发;三、与现有系统的融合(认知用户和授权用户协调工作)。
3.{Title}: 认知无线电及其组网技术{Author}: 刘玉涛谭学治(哈工大){Journal}: 移动通信{Year}: 2008 {Issue}: 02 ★★★★
本篇文章比文1和2都更多讨论具体的事务,眼界也许没有上两篇宽广,但也少了大而无当的嫌疑,更接近实际场景。
3GHz以下频段日益紧张的事实是:非授权频段因WLAN、WPAN等逐渐成为人们接入互联网的日常手段而日趋饱和,而授权频段(如广播电视频段)却使用效率低下。为解决这种频谱资源分配的不合理,CR技术应时而生。
文章简介的四项CR关键技术比前两篇文章都要细致和具体。其一为干扰温度,由FCC 提出,用来表征非授权用户在共享频段内对授权用户产生的干扰。包括非授权用户信号在内的累积干扰不能超过保证授权用户正常运行的干扰温度门限。其二为动态频谱分配,目前的
研究大多基于频谱共享池这一策略。频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池,并将频谱池划分为若干个子信道,将子信道作为频谱分配的基本单位。其三为传输功率控制,作者认为需要探索所谓的分布式功率控制方法。其四为原始用户(即授权用户,或称主用户)检测。
文章认为发射机如何在动态环境下精确定位(即找到)接收机(这一过程应该不是只靠发射机本身就能完成的),是CR的一个主要研究方向,这取决于CR的组网方案。组网方案有三种:其一中心控制结构,控制设计相对简单,但受制于需要建立基站;其二分布式控制结构,设计困难,且网络组建技术不成熟;其三网状控制结构,本地网采用Ad-hoc路由,各本地网之间通过AP进行通信。作者认可第三种,并基于此进行后续讨论。
当一个认知用户进入某个本地网后,为实现通信的无缝接入,文章认为其应具备如下五个基本功能:1、能够发现临近的用户;2、能够发现接入节点;3、能够不断地更新临近节点的用户信息;4、能够在本地网中以无线自组网的方式建立与接收节点的通信路径;5、能够通过接入节点建立与其他本地网接入节点的通信。每个本地网需要一个公共控制信道,预先分配的方法比较简单,但好似与CR的精神违背(认可,因为控制信道所占比例通常极小);若采用所谓的自适应控制信道,即命令的传输在与节点等价的认知信道中进行,则会使系统复杂度大大增加。每个本地网中,接入节点的功率通常要比普通CR节点的功率大,以使本地网中的每一个CR节点都能发觉到它,并确定自己与接入节点的距离以调整到最适宜的发射功率(对于需要几跳才能到达的情况似没这般简单?)。
4.{Title}: 认知无线电技术综述{Author}: 畅志贤石明卫(西安邮电学院){Journal}: 电视技术{Year}: 2007 {Issue}: S1 ★
本文提到了RKRL语言,作为CR的一篇综述,这是不可少的。CR将改变现有的频谱管理模式,充分利用已授权但利用率低的频谱,允许认知用户以一定规则与主用户共享其授权频段。文章认为SDR不能与网络进行智能交流,是因为其缺乏基于模式的推理计划能力和描述语言。表示无线系统知识、计划和需要的语言,即无线知识描述语言(RKRL),为CR 技术的关键所在。
作者泛泛地提到了几种用于描述的计算机语言,如SDL、UML、IDL和KQML等,认为它们用来描述无线电时缺乏准确性和灵活性。KTH的Mitola专门为CR开发了RKRL。RKRL 是一种并行对象语言,但文中对该语言的特点描写让人读之不甚明白。SDR是一种多波段多模式个人通信系统平台,CR以此为基础实现重构功能,而其它任务则主要通过基于RKRL的信号处理和机器学习等过程来实现。RKRL描述的内容包括无线方式、设备、软件模块、传输、网络、用户需求和根据用户需求而自动配置的应用方式。RKRL在SDR上实现,把仅执行事先确定好的协议的无线节点,转变成无线域的智能代理,实现了原先固定功能和通信模式的系统转变成为智能通信系统的变革。文章随后给出了一个CR内部架构模型,由于本人目前对SDR和RKRL的无知,此模型看不明白。
对认知无线电关键技术,作者认为如何实现CR的三种基本功能就是CR的关键技术,即:其一频谱检测;其二动态频谱资源分配;其三功率控制和频谱管理。CR中,频谱检测就是对感兴趣频段的干扰温度估计,通过干扰温度来最终选择频谱空穴。目前,CR的动态频谱分配研究主要基于频谱共享池策略(文3),其信道接入有两种方案:一为有控制信道,可使主用户从共享池中选取空闲信道建立其通信(这当然需要对原授权系统进行修改);二为无控制信道,主用户不考虑认知用户存在与否。关键技术三中作者只提到了功率控制(是否因为频谱管理和频谱分配是一回事呢?),认为基于信息论的功率注水更适用于多用户环境——而CR显然是支持多用户的系统。
认知无线电技术
认知无线电技术
引言：认知无线电技术作为软件无线电技术的一个特殊扩展，受到日益广泛的关注。认知无线电近几年内市场不会很大，但在不久的
将来将会获得得突破性的进展，为无线电资源管理和无线接人市场带来新的发展契机和动力。
伴随着通信系统由模拟体制向数字体制的逐步转变， 无线通信得到了飞速发展。但传统的通过硬件设备改造升 级来完成无线通信新技术改革的方法带来了很多问题，如不同通信系统的兼容性差、互联互通互操作程度低、浪费等，大大制约了无线电技术的进一步发展。如何有效的提高信息的传输速率，以及适应新情况即使做出技术升级与改造，己经成为通信领域的关键问题。在这种情况下，认知无线电技术作为实现通信的新概 念和新体制应运而生。
认知无线电（cognitive radio，CR）的概念是由 Joseph Mitola
博士提出的，他在1999年发表的一篇学术论文ni中描述了认知 无线电如何通过一种“无线电知识表示语言（RKRL）”的新语言提高个人无线业务的灵活性，随后在2000年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中详细探讨了这一理论。
认知无线电也被称为智能无线电，从广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，通过对周围无线环境的历 史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自 动选择最好的、最廉价
的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。由定义可以看出，认知无线电的一个最大优势就是无线用户可以通过该技术实现“频谱共享”。目前大多数频谱已经被划分给不同的许可持有者（又称为首要用户），包括移动通信、应急通信、广播电视等。但是随着用户需求的增长，简单地通过开发新的无 线接人技术和使用新的频点已经无法充分满足市场需求。
近年来，很多学者通过监测分析当前无线频谱使用状况发现，虽然大部分频谱已经被分配给不同的用户，但是在相同时间、相同地点频谱的使用却非常有限。常常是大部分频点未被使用，而某些热点频率又处于超负荷运行。
最新认知无线电的学习
认知无线电的学习
《认知无线电技术》学习一
Fette B.A.(ed) Cognitive Radio Technology。
赵知劲等译《认知无线电技术》，2008年5月科学出版社出版，当当网有售。
《认知无线电平台：软件定义无线电》y Bruce A. Fette (Chief Scientist,
Communication Networks Division, General Dynamics C4 Systems)
概念和观点理解：信号带宽vs. 信息带宽；采样率单位缩写：sps, samples per second -- 采样
每秒；OPS -- 每秒操作次数；MIPS -- 每秒百万指令数；OSI -- 开放系统互联
SDR的硬件计算资源：GPP实现协议栈和组网功能，DSP实现物理层调制
和解调功能，FPGA能够提供定时和控制以及一些专用于波形的硬件加速器。此外，还可能有CCM（定制计算机器）。
FPGA的slice资源，直译为切片。FPGA最主要的缺点是功耗大。基于数据包的处理：接收机接收信号过程中以信号采样块进行操作。基于数
据流的处理：每个新的信号采样都应用到整个接收过程。
程序设计的四种基本原理：LP（线性程序设计）、OOP、CBP（基于组件的程序设计）和AOP（aspect-oriented programming，面向方面的程序设计）。SDR
设计中的主要原理是CBP。
两种开放的SDR体系结构：入门级SDR的GUNRadio，基于Python；较复杂的SCA（软件通信体系结构），使用CORBA（Common Object Request Broker
Architecture，公用对象请求代理体系结构）作为中间件的一部分以保证接口的一致性，包括了API的规范说明以增强组件的兼容性。
除了典型的OS和典型的工具包外，还存在三种技术在CR应用中产生巨大影响：Java、无线二进制运行环境（BREW）和Python。
认知无线电技术 2
认知无线电技术
认知无线电（Cognitive Radio，CR） 的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作。它可以通过学习、理解等方式，自适应的调整内部的通信机理、实时改变特定的无线操作参数（如功率、载波调制和编码等）等，来适应外部无线环境，自主寻找和使用空闲频谱。它能帮助用户选择最好的、最适合的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资源延迟或主动发起传送。
一、认知无线电的定义
1、JosephMitola对认知无线电的定义
1999年，JosephMitola在他的学术论文 中首先提出了认知无线电的概念，并描述了认知无线电如何通过“无线电知识描述语言（RKRL，RadioKnowledgeRepresentationLanguage）”来提高个人无线业务的灵活性。随后，JosephMitola在他的博士论文中详细探讨了这一理论 。他认为：认知无线电应该充分利用无线个人数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面的智能计算能力来检测用户通信需求，并根据这些需求提供最合适的无线电资源和无线业务。Mitola的认知无线电的定义是对软件无线电的扩展。认知无线电以软件无线电为平台，并使软件无线电智能化。
2、FCC的认知无线电定义
JosephMitola定义的认知无线电强调“学习”的能力，认知无线电系统需要考虑通信环境中的每一个可能参数，然后做出决定。相比于
JosephMitola的定义，FCC针对频谱有效分配问题对认知无线电做出的定义更能为业界所接受。在2003年12月的一则通告 中，FCC对认知无线电作出如下定义：认知无线电是能够与所处的通信环境进行交互并根据交互结果改变自身传输参数的无线电。
FCC对认知无线电的这个定义主要是基于频谱资源分配和管理问题提出的。目前无线频谱资源的规划和使用都是由政府制定的，无线通信设备对频谱的使用需要经过政府的许可。而固定的频谱分配政策导致了频谱不能有效利用的问题。比如分配给蜂窝移动通信系统的频带经常超负荷，而共用频带没有充分使用等。而且频段的利用率在不同的时间和空间也有所不同。
认知无线电技术综述
１３０ 文章编号：１００２—８６９２（２００７）Ｓ１—０１３０—０４
认知无线电技术综述 ・综述・
畅志贤，石明卫
（西安邮电学院通信工程系，陕西西安７１０１２１）
【摘 要】讨论了在感知学习循环的过程中的频谱检测，动态自适应频谱分配，以及频谱管理等关键技术，并对认知无线电应用的
场景进行了分析及展望。 【关键词】认知无线电；无线电知识表示语言；频谱检测；频谱管理 【中图分类号】ＴＮ８０１ 【文献标识码】Ａ
Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＣＨＡＮＧ Ｚｈｉ－ｘｉａｎ，ＳＨＩ Ｍｉｎｇ－ｗｅｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘ１ Ａ Ｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｏｓｔ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ ∞７１０１２１，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｓｏｍｅ ｃｒｕｃｉａｌ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｈｏｌｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ｄｙｎａｍｉｃ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｓ ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ；ｒａｄｉｏ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ；ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
１ 引言
随着无线通信业务需求的快速增长，可用的频谱资 源变得越来越稀缺。人们通过采用先进的无线通信理论
和技术努力提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段， 尤其是信号传播特性比较好的低频段频谱的利用率极
认知无线电
摘要
I
摘 要
认知无线电(Cognitive Radio,CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，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。随着无线通信技术的发展，一个日益严峻的问题摆在了我们的面前，那就是频谱资源日趋缺乏。但是另一方面，无线频谱资源在空间和时间上存在着不同程度的闲置，于是人们提出了认知无线电技术。认知无线电网络中的用户能感知周围的无线环境，并能择机进入频谱，从而提高了频谱利用率和实现了频谱的灵活分配。
本文主要对认知无线电的动态频谱分配算法进行了研究。频谱的灵活应用要求认知无线电系统能够动态地分配频谱资源，包括要为主用户的出现实现退避和切换功能，因此，频谱分配是能否充分高效利用空闲频谱的关键技术。
本文首先对认知无线电作了简要的介绍，阐述了认知无线电的概念、功能以及发展状况等。然后介绍了认知无线电关键技术及频谱分配方法，并分析了现有算法的优缺点。
关键词：认知无线电，频谱分配，图论着色，用户需求，公平。
I
Abstract
Cognitive radio (Cognitive Radio, CR) and foundation of the concept originated
in 1999 Dr Joseph Mitola, its core idea is CR with learning ability, can with the
surrounding environment, mutual information, to perceive and utilize the available
spectrum in the space, and limit and reduce conflicts occur. With the rapidly
development of wireless mobile communication technology, anincreasingly severe
认知无线电频谱感知综述
Ｊ数目ｑ＾来 ＿１— 通信技术 认知无线电频谱感知综述 王学敏刘江涛刁德全 （海军航空兵学院四系辽宁葫芦岛１２５００１） 摘要：随着认知无线电的发展，频谱感知作为认知无线电实现前提，成为了该领域的研究重点。针对众多频谱感知的研究，综述了通信信道阴影衰 落、多径衰落以及噪声干扰下的各种感知策略和算法，分析了算法的实现关键和性能，并针对性提出了算法的不足之处。最后从软件和硬件上对实现频 谱感知提出新的方法。 关键词：认知无线电频谱感知衰落信道噪声干扰 中图分类￣－：ｔｎ９２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ｏｏ７．９４１６（２０１５）０７－００２７．０２ １弓Ｉ富 科技创新带动无线通信技术的飞速发展，随着各种通信设备的 增多，频谱资源就显得越来越紧缺。而传统频谱分配的固定方式使 频谱资源的利用率过低【】】，从而受到了现实中频谱使用需求的挑战。 为了充分地使用不同时间、不同地域的空闲频段，认知无线电技术 提出了解决方案。 认知无线电（Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏ，ＣＲ）作为一种动态频谱接 人技术，能够观测周围的无线环境，获取频谱资源的使用信息， 进而对频谱信息进行处理并决策，最终动态接人可用频段 １完成 自适应通信。 无线环境中存在多径、衰落、阴影、噪声不确定等不利因素影ⅡＩ句ｆ３ｌ， 因此正确可靠的频谱感知成为了研究的重点。针对无线环境，综述 频谱感知的最新研究，重点分析对比各感知方法的有效性，最后给 出了未来研究的趋势和一些建议。 ２无线环境下的频谱感知 认知无线电就是要在复杂的无线环境中准确、可靠、高效的感 知出可用的频谱。现在主要的研究也是针对无线环境的不利影响展 开的。 现有研究中大量文献首先将信道假设为衰落信道，研究了衰落 信道对频谱感知的影响。文献【４】通过研究指出，频谱感知的检测信 道相比于无线信道的多径衰落，受阴影衰落的影响更大。所以首先 来看阴影衰落对频谱感知的影响。 文献［５】中给出了阴影衰落相关性对用户间合作检测性能的影 响，利用衰落相关性公式计算，当用户间阴影衰落因子为０．９６时，对 比于理想无阴影相关性假设条件下的用户间的合作检测，其合作检 测性能将下降１３％。 文献［６］中利用能量检测的方法检测频谱信息，针对阴影衰落的 影响，认为通过足够数量的感知节点合作方法可以实现对频谱的可 靠、正确的感知。根据认知用户之间的阴影衰落相关性：Ｒ（ｄ）＝ｅ－－ ｄ （其中 为衰落因子，ｄ为两节点之间的距离），但文献［６】没有对如何 减少感知节点数及如何提高感知效率进行说明。 针对阴影衰落的影响，文献【７］在能量检测的基础上，利用多簇 联合感知的算法提高了感知性能。文献中简单的利用感知节点到融 合中心的距离作为参考标准，将所有感知节点分为了．唠奏，再在每簇 中利用到融合中心的距离最短来选择簇头，通过簇头将感知信息发 送给融合中心。从仿真结果上看，文献［７】分簇的算法取得了一定效 果，但分簇的方式较为复杂。 文献［８】中各感知节点利用能量检测方法检测频谱信息后，选择 隐含各节点间相关『生的检测概率Ｐｄ组成矩阵，对其采用奇异值分解 方法，选择出最少和最不相关的感知节点参与合作感知。经仿真分 析，其方法的检测性能优于文献［９］；最优感知节点集合选择算法所获 得的节点的平均ＳＮＲ明显高于文献［１ ０］；最优感知节点集合的数目 也少于文献［１０】。 信息传输信道除多径衰落和阴影衰落外，还存在噪声干扰。因 此在噪声干扰下，如何实现“频谱空穴”的检测也就成为了研究的重 点。 文献［１１】提出利用信道增益比来估计ＳＮＲ的互相关矩阵估计 （ＣＣＭ，ｃｒｏｓｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ）算法。在ＰＵ（ｐｒｉｍａｒｙ ｕｓｅｒ）存在时，ＳＵｓ采样信号为同－－ＰＵ信号，所以采样信号具有较大 的相关性。文章就是利用ＳＵｓ采样信号之间的相关性构造信号的相 关矩阵，进而分析相关矩阵的特性来估计信道的ＳＮＲ，从而选择出 ＳＵｓ。文献最后对算法的性能进行了仿真分析，给出了ＣＣＭ算法对 信道ＳＮＲ估计的性能曲线。但文献没有考虑信号多径延时对相关性 能的影响。 文献【１２］提出了一种针对ＡＷＧＮ信道和瑞利多径衰落信道的通 用频谱感知的方法。其在文献［１３－１４１的基础上提出修正ＢＰＡ（ｂａｓｉｃ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ，基础概率分配）函数和Ｄ－Ｓ证据理论，估 计出ＳＵｓ的可靠性，从而提高了感知性能。最后文献仿真了算法的性 能，并与文献［１３－１４］￣行了对比。 信道在低ＳＮＲ下会出现隐藏终端问题，针对低信噪比隐藏 终端问题，文献［１５】提出了一种优化的双门限频谱感知策略。在 双门限判决方法中，判决空间Ｑ不再是非此即彼的判决方法，而 是利用打下２个门限将整个判决域分为３个部分，对落于中间区 域的部分不判决，也不上报感知数据。同时融合中心通过对各个 感知节点分配权重的算法来提高上报信息可靠性。文献的算法 在ＳＮＲ较低、严重恶化的信道中不太适用，且没有给出如何设置 双门限的方法。 由于强干扰使的ＳＵ感知错误信息并上报，造成高冲突数据， 文献［１６】就是针对此情况进行的频谱感知的研究。文献根据ＤＳ证 据理论，定义识别框架｛Ｈ ，Ｈ ，Ｑ｝，０代表Ｈ 和Ｈ 中任一假设为 真。而后利用投影近似法对ＢＰＡ进行调整，进而加权估计每个ＳＵｓ 的可信度并作出最终判决。文献通过仿真给出了在有无高冲突数 据情况下，在带宽开销性能和检测性能上均优于文献［１４１的算法的 收稿日期：２０１５—０６—２３ 作者简介：王学，ｔｉ￣（１９８５—），男，山东Ｉ 沂人，硕士，助教，研究方向：航空反潜，信息融合。
认知无线电的历史和概念及其关键技术
认知无线电的历史和概念及其关键技术
随着无线通信技术的发展，无线用户的数量急剧增加，使得频谱资源变得
越来越紧张，如何充分提高无线频谱的利用率成为亟待解决的技术问题。认
知无线电技术提出了一种新的解决思路，其核心思想就是使无线通信设备具
有发现频谱空洞并合理利用所发现的空洞的能力。虽然认知无线电技术能以
更为灵活的方式来管理有限的频谱资源，但要真正将其应用于实际通信系统
还需解决包括频谱检测、自适应频谱资源分配和无线频谱管理等关键技术问
题。
1 认知无线电技术提出的背景
随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无
线局域网（WLAN）技术、无线个人域网络（WPAN）技术的发展，越来越
多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授
权的频段（UFB）工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这
些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。而另外一些通信业务（如电视广
播业务等）需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干
扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段
（LFB）以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源
要少很多（大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用）。而相当数量的授权
频谱资源的利用率却非常低。于是就出现了这样的事实：某些部分的频谱资
认知无线电技术 3
一、认知无线电的定义
1、JosephMitola对认知无线电的定义
1999年，JosephMitola在他的学术论文 中首先提出了认知无线电的概念，并描述了认知无线电如何通过“无线电知识描述语言（RKRL，RadioKnowledgeRepresentaTIonLanguage）”来提高个人无线业务的灵活性。随后，JosephMitola在他的博士论文中详细探讨了这一理论 。他认为：认知无线电应该充分利用无线个人数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面的智能计算能力来检测用户通信需求，并根据这些需求提供最合适的无线电资源和无线业务。Mitola的认知无线电的定义是对软件无线电的扩展。认知无线电以软件无线电为平台，并使软件无线电智能化。
2、FCC的认知无线电定义
JosephMitola定义的认知无线电强调“学习”的能力，认知无线电系统需要考虑通信环境中的每一个可能参数，然后做出决定。相比于JosephMitola的定义，FCC针对频谱有效分配问题对认知无线电做出的定义更能为业界所接受。在2003年12月的一则通告 中，FCC对认知无线电作出如下定义：认知无线电是能够与所处的通信环境进行交互并根据交互结果改变自身传输参数的无线电。
FCC对认知无线电的这个定义主要是基于频谱资源分配和管理问题提出的。目前无线频谱资源的规划和使用都是由政府制定的，无
线通信设备对频谱的使用需要经过政府的许可。而固定的频谱分配政策导致了频谱不能有效利用的问题。比如分配给蜂窝移动通信系统的频带经常超负荷，而共用频带没有充分使用等。而且频段的利用率在不同的时间和空间也有所不同。
3、其他的认知无线电定义
除了JosephMitola和FCC外，还有很多学者对认知无线电进行了定义。
比如，SimonHaykin结合JosephMitola和FCC的观点，对认知无线电做出如下定义 ：认知无线电是一个智能无线通信系统，它能感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变传输功率、载波频率和调制方式等系统参数，使系统适应外界环境的变化，从而达到很高的频谱利用率和最佳通信性能。
基于机器学习的认知无线电技术研究
基于机器学习的认知无线电技术研究
近年来，随着AI技术的迅速发展，机器学习在无线电领域的应用逐渐受到关注。机器学习技术的应用，为认知无线电技术的发展提供了新的思路和解决方案。
一、认知无线电技术简介
认知无线电技术是指通过自主感知和学习，实现对无线电频谱的认知、管理和利用。这种技术可以使无线电频谱的使用效率更高，同时还能保障无线电频谱使用的公平性和安全性。因此，认知无线电技术在无线通信、电子侦察、无线电监听、军事通信等领域中具有广泛的应用前景。
二、机器学习在认知无线电技术中的应用
随着时代的发展，人工智能和机器学习技术的不断升级，认知无线电技术也从传统的频谱感知和频谱监测技术向更智能的方向发展。机器学习技术能够对大量的数据进行分析、学习和预测，具有极高的应用价值。
1. 无线电频谱感知
对于无线电频谱感知，机器学习技术可以深度学习和自适应学习，通过学习过去的数据和用户的反馈，自主地调整感知方式和频谱监测的参数，最终实现无线电频谱的高效监测与管理。
2. 频谱分析
在频谱分析方面，机器学习可以通过学习无线电信号的特征进行自动分类和识别，以便确定无线电信号的类型、来源和位置。例如，在军事通信中，这种技术可以使士兵们更有效地进行通信和战斗。
3. 优化无线电通信 在优化无线电通信方面，机器学习技术可以根据用户的通信需求和环境进行自动优化，例如在信噪比低的环境中自动增加功率，或者自动调整通信频率等，以提高通信质量和信噪比。
三、机器学习在认知无线电技术中存在的问题
虽然机器学习技术为认知无线电技术的发展提供了新的思路和解决方案，但是在实际的应用中，还存在一些问题需要解决。
1. 训练数据量的限制
机器学习需要大量的训练数据才能得到好的结果，但是这在实际的应用中很难实现。因为无线电信号都是瞬时的，很难收集到足够多的数据进行训练。
2. 信号干扰和背景噪音
在现实中，无线电信号会受到信号干扰和背景噪音的影响，这会影响机器学习算法的准确性和性能。因此，在机器学习算法中需要考虑这些因素，并加以处理。
认知无线电技术 4
众所周知，无线电频谱是一种宝贵的自然资源。虽然在理论上3000GHz以下的电磁频谱均被称为无线电频谱，但由于技术的限制，目前人类仅仅划分出9kHz到400GHz的使用频段。实际上，军用的频段集中在40GHz以下，而民用频段主要集中在3GHz以下。随着移动通信技术的迅速发展，新的无线通信业务层出不穷，用户数量不断增加，频谱资源变得日益紧缺。为了解决这一问题，人们先后发明了多种先进的调制技术、编码技术以及多天线技术、链路自适应等新技术。这些技术从不同的角度提高了信道容量，取得了较好的效果。然而，由于受到香农极限的限制，人们不可能无限制地提高信道容量。虽然无线电频谱可以重复使用，但就某个频点或频段来说，在一定的时域、空域是有限的，是不能够重复使用的。与频谱资源短缺形成鲜明对比的却是现有频谱利用率的极其低下。
实测结果表明，在全球授权频段，即便是信号传播特性较好、需求非常紧张的300MHz到3GHz频段内，频谱利用率也不到6％；在3—4GHz频段，频谱利用率降低为0.5％；在4GHz以上，频率利用率更低。因此，如何对频谱资源进行有效共享，充分提高频谱利用率成为亟待解决的问题。在这样的背景下，认知无线电(CR，Cognitive Radio)技术提出了一种新的解决思路一通过动态频谱共享(DSS，DynamicSpectrum Sharing)来提高无线频谱的利用效率。
认知无线电技术
1999年，软件无线电奠基人、瑞典皇家理工学院J．Mitola博士在软件无线电(SR，Software Radio)的基础上提出了认知无线电的
概念。J.Mitola在其博士论文和随后的一系列论述中，对CR进行了较为系统的阐述。
CR的概念一经提出就引起了世界各国众多学者的密切关注。IEEE、FCC、SDR论坛等机构都从不同的角度对CR进行了描述和定义。这些定义实质上大同小异，概括来说：认知无线电能够不断感知周围电磁环境和地理环境的变化，通过机器学习的方法，实现环境和自我的认知，采用无线电知识描述语言，与通信网络进行智能交流，在不干扰授权用户的条件下，自适应地调整其自身的通信机理(通信频率、调制方式、发送功率等参数)来达到对环境变化的适应。这样的自适应调整不仅提高了无线频谱的利用效率，同时也提高了系统的吞吐量、信噪比、稳定性等性能。