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认知无线电网络

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未来无线网络的发展-认知无线电网络

昆明理工大学信自学院通信系彭艺

一、无线电技术的概念及发展

传统（硬件）传统（硬件）无线电软件无线电SDR）认知无线电（（SDR）认知无线电（智能无线电CR）CR）

传统无线电（硬件无线电HR）1.1传统无线电（硬件无线电HR）

在硬件中执行所有的无线电功能，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。

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，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，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，定义了这些调谐特性，目的是使这些特性可编程化。

软件无线电（SDR）1.2软件无线电（SDR）

软件无线电（SoftwareDefinedRadio）是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制。

它的核心是：

将宽带A／D和D／A变换器尽可能地靠近天线，而电台功能尽可能地采用软件进行定义。

软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，对于无线通信功能尽可能用软件来实现。

这样，无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便，这很可能使软件无线电成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破。

软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。

第三代移动通信系统中的软件无线电技术

在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中，最核心的问题是提供不同环境下的多媒体业务及实现包含水、陆、空的全球覆盖。

因而它要求实现多种网络的综合：

无线网与有线网的综合，移动网与固定网的综合，陆地网与卫星网的综合。

这样可以提供全球无缝覆盖，为用户提供在无线与有线环境下统一的业务使用方式，又适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，便于平滑升级。

对于通信终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端（手机）。

3G中的终端问题3G中的终端问题

第三代移动通信系统可支持的速率为室内静止2Mbit／s，步行移动384kbit／s，车速移动144kbit／s，卫星移动9.6kbit／s，所以手机要适应宽带多业务的要求。

软件无线电为通信系统提供一种新型的结构，那就是利用统一的硬件平台，不同的软件来实现不同的功能。

只有软件无线电技术才能解决多频多模式多业务终端问题。

3G中的软件无线电应用3G中的软件无线电应用

具体地讲，软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用体现在以下几个方面：

（1）为第三代移动通信手机与基站提供了一个开放的、模块化的系统结构；

（2）智能天线结构的实现，空间特征矢量包括DOA（来波方向估计）的获得、每射频通道权重的计算和天线波束赋形；（3）各种信号处理软件的实现，包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件算法等。

软件无线电技术是当今计算技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通信中应用的产物。

它在我国提出的第三代移动通信系统TD--SCDMA中，应用就更广泛了。

SCDMA系统的基站和终端都采用了高速数字处理器和高速A／D变换器，处理速度高于每秒5千万次，全部基带信号处理和变换都用软件来完成。

在SCDMA中软件无线电将实现如下功能：

（1）提供一个开放的模块化的系统结构；

（2）智能无线的实现；（3）同步检测、建立和保持；

（4）用户终端D－QPSK（差分正交移相键控）解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪；（5）每码道功率的检测和发射功率控制的实现；（6）接收通道的电平检测和接收增益控制；（7）扩频调制和解调，包括WAtsH（沃什）码和PN（伪随机）码的产生；（8）语音编译码；（9）DTMF（双音多频）、MFC（多频编码）及各种信号的产生和检测；（10）信道编码、复接和分接；（11）发射脉冲成形滤波；（12）SWAP（交换）信令的差错检测；（13）接收信令的差错检测；（14）发射通道的数字预失真；（15）基站收发信机的校准。

3G手机

广州、北京、上海、沈阳、深圳、秦皇岛、厦门等主要8个奥运城市于2008年8月开卖TD-SCDMA手机，正式拉开中国3G应用的序幕。

视频通话”“手机电视””“手机电视高速无线上网”“视频通话”“手机电视”和“高速无线上网”成为3G3G特色业务成为3G特色业务。

作为中国首批商用3G手机，三星SGH-L288不仅标志了中国3G时代的来临,更树立了SAMSUNGAnycall在3G终端市场的领导地位。

3G标准3G标准

目前，主流的3G技术有三种制式：

目前，主流的3G技术有三种制式：

3G技术有三种制式分别为WCDMA（联通）WCDMA（联通）CDMA2000（电信）CDMA2000（电信）TD-SCDMA（移动）。

TD-SCDMA（移动）。

CR技术出现背景CR技术出现背景

（1）终端动态选择信道的需求今天，采用同一个无线电，你不能同时利用2.4GHz和5GHz的WLAN信号，除非你实现两个单独的无线路径来处理各自的波形。

假设SDR技术将在今后几年内解决这一问题，则下一个技术难点就是找到一个能动态接收或自动发射不同类型波形的SDR解决方案，使它能自适应于本地环境并搜索可用于通信的开放频率。

为此，认知（感知）无线电成为学术及研发界的重要课题。

（2）频谱资源的紧张

Staticlicensing:

Pros:

EffectivelycontrolsinterferencSimpletodesignhardwareCons:

MultipleallocationoverallofthebandAcrisisofspectrumavailability

Utilizationof0.5%inthe3-4GHzAnd0.3%in4-5GHzAnewapproachtospectrumlicensingisneeded

认知无线电（CR）1.3认知无线电（CR）

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。

TermcoinedbyMitolain1999Mitola’sdefinition:

SoftwareradiothatisawareofitsenvironmentanditscapabilitiesAltersitsphysicallayerbehaviorCapableoffollowingcomplexadaptationstrategies“Aradioorsystemthatsenses,andisawareof,itsoperationalenvironmentandcandynamicallyandautonomouslyadjustitsradiooperatingparametersaccordingly”LearnsfrompreviousexperiencesDealswithsituationsnotplannedattheinitialtimeofdesign

CR技术的基本概念1.4CR技术的基本概念

自1999年“软件无线电之父”JosephMitolaⅢ博士首次提出了CR的概念并系统地阐述了CR的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者SimonHaykin教授的定义。

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”。

CR定义CR定义

SimonHaykin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。

Architecture

BasicNon-CognitiveRadioArchitecture:

SpectrumScanningandInterferenceAvoidanceModule

ChannelPoolingServer

SpectrumAnalysisEngineScanningEngine

CognitiveRadioarchitecture:

NetworkedDevice

AntennaSharingModule

ProcessorProcessor

DataModemDataModem

TransmitterTransmitterandReceiverandReceiver

WirelessDataTransceiverSubsystemModule

CR特征

CR应该具备以下2个主要特征：

（1）认知能力认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源（也称为频谱空洞），并选择最适当的频谱和工作参数。

这一任务通常采用图1所示的认知环进行表示，包括3个主要的步骤：

频谱感知、频谱分析和频谱判决频谱感知、频谱感知频谱分析和频谱判决。

频谱感知的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。

（2）重构能力重构能力使得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。

重构的核心思想是在不对频谱授权用户（LU）产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。

一旦该频段被LU使用，CR有2种应对方式：

一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对LU的有害干扰。

认知无线电与软件无线电之间的关系为了便于理解CR的基本原理，有必要将CR与软件无线电（SDR）进行区分。

根据电子与电气工程师协会（IEEE）的定义，一个无线电设备可以称为SDR的基本前提是：

部分或者全部基带或RF信号处理通过使用数字信号处理软件完成；这些软件可以在出厂后修改。

因此，SDR关注的是无线电系统信号处理的实现方式；而CR是指无线系统能够感知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数。

从这个意义上讲，CR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。

一般来说认知无线电系统必须具备以下基本功能：

一般来说认知无线电系统必须具备以下基本功能：

（1）对无线环境的场景分析，包括空间电磁环境中干扰温度的估计和频谱空穴的检测。

（2）信道状态估计及其容量预测，主要有信道状态信息的估计、信道容量的预测。

（3）功率控制和动态频谱管理。

CR当前的发展与标准CR当前的发展与标准

当前，认知无线电技术已经得到了各界的关注，很多著名学者和机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。

例如德国高校提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室提出的OCRA项目，美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。

在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议等领域取得了一些成果。

IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会交流这方面的成果。

目前，最引人关注的是IEEE802.22工作组的工作，该工作组正在制订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。

2004年10月，IEEE正式成立IEEE802.22工作组，IEEE802.22别名称为“WirelessRegionalAreaNetwork（WRAN，无线区域网络）”。

该工作组的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带（北美为54MHz～862MHz）的频率用作宽带访问线路。

这是继2002年实现民用的“UWB”之后又一全新的无线频率应用技术！

IEEE802.22将要制定的是无线通信的物理层与MAC层规格。

所设想的数据通信频率为数Mbit/秒～数十Mbit/秒。

电视转播所用的频率由于是比过去的无线LAN更低的频带，因此基站设备可覆盖的范围很大，半径超过40km。

如果此目标得以实现，总计300MHz～400MHz的频带将可用于室外宽带通信。

CognitiveRadioCapabilities

FrequencyAgility–abilityofaradiotochangeitsoperatingfrequency,combinedwithabilitytodynamicallyselectappropriateoperatingfrequencybasedon,forexample,sensingofsignalsfromothertransmitters（DFS）TransmitPowerControl–transmissionatallowablelimitswhennecessarybutreducingtransmitpowertoallowgreatersharingofspectrumwhenhigherpoweroperationisnotnecessarySpectrumSharingMechanism–enablingsharingofspectrumundertermsofanagreementbetweenlicenseeandathirdparty

CognitiveRadioCapabilities（cont’d）

AdaptiveModulation–modifyingtransmissioncharacteristicsandwaveformstoexploitopportunitiestousespectrumLocationDetermination–abilitytodetermineitslocationandlocationofothertransmitters,thenselecttheappropriateoperatingparameters（e.g.power,frequency）allowedatitslocationSecurityFeatures-incorporatedtopermitonlyauthorizeduseandpreventunauthorizedmodifications

ImproveAccesstoSpectrumwithoutcausinginterference=>morespectrum

–Exploitfrequencyandgeography（frequencyre-use）now–ExploitTimeinthenearfuture–ExploitSpatial（e.g.,SmartAntennas）inthefarther

future

CanAssessSignalEnvironment

–SpectrumestimationandBeaconprocessing–IDSignalFormats–LocationAware

Reconfigurability

–AdaptModulation/Coding–PowerControl–FrequencyAgility

ItknowswhereitisItknowswhatservicesareavailable,forexample,itcanidentifythenuseemptyspectrumtocommunicatemoreefficientlyItknowswhatservicesinteresttheuser,andknowshowtofindthemItknowsthecurrentdegreeofneedsandfuturelikelihoodofneedsofitsuserLearnsandrecognizesusagepatternsfromtheuserApplies“ModelBasedReasoning”aboutuserneeds,localcontent,environmentalcontext

SensingRadio

WidebandAntenna,PAandLNAHighspeedA/D&D/A,moderateresolutionSimultaneousTx&RxScalableforMIMO

PhysicalLayer

OFDMtransmissionSpectrummonitoringDynamicfrequencyselection,modulation,powercontrolAnalogimpairmentscompensation

MACLayer

OptimizetransmissionparametersAdaptratesthroughfeedbackNegotiateoropportunisticallyuseresources

PA

D/A

IFFT

MAE/POWERCTRL

ADAPTIVELOADING

TIME,FREQ,SPACESEL

QoSvs.RATE

LNA

A/D

FFT

CHANNELSEL/EST

INTERFERENCEMEAS/CANCEL

LEARNENVIRONMENT

FEEDBACKTOCRs

RF/AnalogFrontend

DigitalBaseband

MACLayer

基于RKRL语言和SDR平台的认知无线电基于RKRL语言和SDR平台的认知无线电RKRL语言和SDR

软件无线电（SDR）是一种多波段多模式个人通信系统平台，其通过射频带宽、空气介面、协议、空间和实时模式的灵活变化来缓解无线频谱的紧缺状况。

认知无线电通过在无线域建模来扩展软件无线电的功能，通过无线知识描述语言（RKRL）来加强个人服务的灵活性。

RKRL描述的内容包括了无线方式、设备、软件模块、传输、网络、用户需求和根据用户的需求而自动配置的应用方式。

RKRL语言可以在软件无线电平台上实现，这样的平台将无线节点从仅仅执行事先确定好的协议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。

通过RKRL，认知无线电系统知道高级语言配置均衡器接口和接口线路延迟结构的具体参数。

均衡器接口和接口线路延迟结构采用特定应用集成电路（ASIC）、现场可编程阵列（FPGA）或者某种软件无线电算法实现。

认知无线电有自己的内部构架模型，如图7所示，能够通过相应的模式解决出现的问题。

软件无线电平台硬件包括天线、无线射频转换模块、调制解调器和图7中所示基带处理器、用户接口等硬件模块。

基带处理器包括基带调制解调器和一个终端控制协议栈，此外还包括一个感知装置和一个算法模块。

算法模块包含用来描述无线电本身的RKRL结构、均衡器以及其中的所有的本体，用RKRL来写，即以软件来替代硬件功能。

实现上述功能，高端内存、计算算法和通信的带宽对认知无线电都是必需的。

根据外部环境变化调整通信系统的配置不会花很长的时间，一般认知无线电也不需要人来干涉它的工作过程。

如果要对认知无线电进行干涉，主要目的也是为了保证无线电网络的稳定性。

很显然，这种认知无线电网络是复杂的自适应系统，具有适应外界环境变化的能力。

无线电表述语言

除了自然语言，还有几种计算机语言能够表达相关的无线电知识。

但是，大多数的无线电语言如规范描述语言（SDL）、统一建模语言（UML）、接口定义语言（IDL）等都是用于描述的计算机语言，缺乏准确性和灵活性。

在认知无线电的研究中，如何表达外部世界的信息始终是一个重要的研究课题。

RKRL是瑞典皇家科学院（KTH）专为认知无线电开发的一套语言，是用来描述整个事件知识、计划和需求的语言。

它所包括的知识问询和操作语言（KQML）就是为了使内部知识的交换变得更加方便。

使用KQML，移动节点和网络可以分享预期频谱需求的计划，可以有效地识别和租用频谱。

RKRL提供了一种标准的能够对随机的数据交换进行动态定义的语言。

RKRL的每个部分根据规则的模式和描述语言的基础来构成，其能力来自于感知循环中的模式匹配、计划产生能力，由相关的推理引擎来调整。

RKRL包括语法和本体信息。

RKRL涉及的范围包括规则的模式、语言定义、推论模式、多语法和无线的本体。

RKRL是一种并行对象语言，通过基于模式的推理综合了各种语言的特点。

通过RKRL这种标准语言，可动态定义认知无线电系统突发的数据变换，其代理可以快速地通过操作相关协议使无线规则更好地满足用户需求，增强了系统的灵活性和反应能力。

认知无线电规则

既然认知无线电能够主动自由地选择射频信道、空中接口、协议架构以及为了和其他用户竞争的服务价格，从某些方面来说它和棋类游戏是类似的。

网络可以协调这种游戏规则，许多研究人员采用博弈论来进行信道频谱分配和功率控制，未来在一些频段认知无线电系统可以完全和其他系统竞争达到无线电资源均衡利用。

进行这个游戏的平台是无线射频频段的各种无线频谱、空中接口、智能天线、实时模式以及基础设施和手机等，RKRL提供了描述这种游戏平台的语言，能很好的表述这个游戏的平台和合法使用认知无线电。

认知循环

认知无线电是建立在软件无线电平台之上的一个智能无线通信系统，它能够感知外部环境、使用边了解