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：某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。因此，可以得出这样的结论：基于目前的频谱资源分配方法，有相当一部分频谱资源的利用率是很低的。

为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。为此，人们提出了认知无线电的概念。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机（Opportunistic Way）”的方式工作在已授权的频段内。当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。

当非授权通信用户通过“借用”的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证他的通信不会影响到其他已授权用户的通信。要做到这一点，非授权用户必须按照一定的规则来使用所发现的“频谱空洞”。在认知无线电中，这样的规则是以某种机器可理解的形式（如XML语言）加载到通信终端上。由于这些规则可以随时根据频谱的利用情况、通信业务的负荷与分布等进行不断的调整，因此通过这些规则，频谱管理者就能以更为灵活的方式来管理宝贵的频谱资源。

2 认知无线电的历史和概念

从以上介绍可以看出，为了提高频谱利用率，可以充分利用检测到的“频谱空洞”。这是认知无线电技术的一项应用。但是，作为一个全新概念提出的认知无线电，其涵盖面则更为广泛。认知无线电的基本定义可归纳为［1］：认知无线电（Cognitive Radio）是可以感知外界通信环境的智能通信系统。认知无线电系统通过学习，不断地感知外界的环境变化，并通过自适应地调整其自身内部的通信机理来达到对环境变化的适应。这样的自适应调整一方面是为了改进系统的稳定性，另一方面是为了提高频谱资源的利用率。由此可以总结出认知无线电所具有的特点是：

*对环境的感知能力

*对环境变化的学习能力

*对环境变化的自适应性

*通信质量的高可靠性

*对频谱资源的充分利用

*系统功能模块的可重构性

认知无线电是由MITRE公司的顾问、瑞典皇家技术学院Joseph Mitola博士生和GERALD Q MAGUIRE， JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的［2］，是对软件无线电的进一步的扩展。认知无线电采用无线电域的基于模型的方法对控制无线电频谱使用的规则（如射频频段、空中接口、协议以及空间和时间模式等）进行推理，通过无线电知识表示语言（RKRL）［3］，表述无线电规则、设备、软件模块、电波传播特性、网络、用户需求和应用场景的知识，以增强个人业务的灵活性，使软件无线电技术能更好地满足用户需求。