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认知无线电

(1) 认知无线电(Cognitive Radio)
       随着无线通信技术的迅速发展,新的无线通信系统不断涌现,一方面需要分配新的无线频率供使用,然而目前无线频谱基本上已经没有新的频段可供分配,造成频谱资源稀缺局面;而另一方面对目前频谱实际利用率的调查研究表明,整个无线频谱的利用率却十分低下,其平均利用率不到15%,巨大的反差促使各国无线管理部门开始考虑如何更有效的使用无线频谱资源。
认知无线电
       究其原因,目前频谱利用率低下的部分原因在于现有的频谱共享方式为静态共享,即分配一个固定的频段给特定的无线通信系统,其他系统不得使用该频段。静态频谱分配体制带来频谱规划和管理的方便性,然而正如实际调查情况表明其造成了无线频漕资源利用的低效率,鉴于此,动态共享频谱方式作为提高频谱效率的一种有效手段受到了极大的重视。通过研究如何与现有无线通信系统共享频谱而对其不产生干扰能有效地提高现有的频谱利用效率,缓解不断增加的频谱资源分配压力。动态共享频谱主要可以分成如下几种形式:
       • 不授权频段多系统共享,各系统只要满足相应的功率参数,就可以自由使用该频段,典型的如ISM2.4GHz频段.IEEE802.11与Bluetooth等系统共享该频段。这种共享方式需要设计合理的频谱礼仪、政策等因素,使各系统对公共频谱的共享满足一定的公平性,达到一定的频谱效率。
       • 授权频段系统允许其他系统共享。这种共享方式允许原授权频段系统开放频谱第二市场,允许其他系统在不影响原系统正常使用情况下机会使用该频段,因此共享系统必须具有实时监测频谱资源状态的能力,从而获得机会共享该频谱。典型的系统如:IEEE802.22WRAN是对电视广播频段的机会共享。
       • 其他共享方式.如各授权频段系统联合共享、授权频段系统内频谱共享等。
       为避免对现有无线通信系统产生干扰,影响其使用,动态频谱共享方式需要智能的无线电系统。J.Mitola等于20世纪末提出通过构造具有认知能力的无线电系统,来达到动态共享频谱的方式成为目前动态频谱共享技术的主流方向。
       认知无线电系统可以视为一个具有感知周围频谱环境、依据环境动态调整传输参数的智能无线电通信系统,如图36示意了认知无线电用户从感知一认知一行为的过程:首先接收机通过感知来自外部无线环境的信号,获取频谱状态信息,这些信息一方面被记录在相应的数据库中;另一方面认知用户可以结合存储的历史数据进行学习、推理,以获取如用户行为、频谱空洞的平均时长、信道状态等信息,认知引擎通过决策数据库对相应的感知信息、策略、规则进行统一决策,确定相应发射参数,如调制方式、编码方式、发射功率等参数,接收、发射相应的信息。
认知无线电系统
       图36 认知无线电系统
为实现认知无线电系统,需要解决的关键问题包括频谱感知、终端重配置、资源管理、频谱接入策略等。
•  频谱感知
       认知无线电需要对其所在位置的频谱使用状况进行感知,获取相应的频谱使用信息,如空闲频率位置、带宽、允许的干扰功率、忙闲规律等,以支持系统高层频谱接入策略决策、资源管理等。
•  终端重配置
       认知无线电需要根据不同的信道传输条件,自适应地选择合适的通信协议,有机地选择相应的调制、编码方式,以达到有效的通信,因此认知无线电终端需要具有通信参数、协议可重配的能力。
•  资源管理
       由于频谱使用的动态特性,认知无线电系统需要动态维护可使用的频率资源,保证认知无线电通信系统的通信稳定性,需要相应的频谱资源管理、功率管理、协议管理等。
•  频谱共享策略
       认知无线电基于频谱感知,动态与其他在用无线电系统共享频谱,因此需要设计良好的频谱接入、退出策略,以最大程度保证对在用无线系统造成的干扰在可接受的范围之内。
认知无线网络
(2) 认知无线网络
       传统通信网络中,通信节点一般不具备感知、可重配功能,因此网络的自适应性差,导致网络性能达不到最优,尤其在无线通信中,由于无线传输环境的动态变化,为达到最佳通信能力,需要通信网络具有很好的自适应能力。认知无线网络是一个由众多具有认知功能的认知无线电节点组成的智能无线电通信网络,通过认知无线电节点的认知能力和认知网络的认知引擎,认知网络节点之间可以进行合作、协同完成通信任务,使网络获得更优的通信能力。
       认知无线网络通过认知功能,可以提供比非认知网络更好的端对端性能,更好的网络吞吐量和更高的安全性。然而要实现这些性能提高,认知网络需要通过各节点的认知功能有机的组合在一起.需要研究相应的资源管理策略、路由策略以及媒体控制策略等;需要具备可自适配的软件、协议平台;需要对网络的不同层进行优化,这些优化往往需要同时涉及不同的协议层,才能完整的保证端对端的优化传输。因此,如何设计具有软件自适配能力、跨层优化能力的认知网络的架构与协议,是认知无线网络研究的一项重要内容。
(3) 认知无线电发展
       认知无线电是近年来无线通信领域的一个热点技术,它的提岀为更有效使用频谱提供了一个可行的技术路线,受到各国政府、国际标准组织的重视。目前,国际电联(ITU)、国际电子工程师协会(IEEE802.18,19,21,22,1900组)、软件无线电论坛(SDR)、美国联邦通信委员会(FCC)、英国通信办(OFCOM)、OMGObjectiveManagementGroup)等组织和政府机构都在积极研究、制定相应的动态频谱共享标准,以规范认知无线电、认知网络等频谱共享技术所应遵循的工业规范。