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1、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 2007.01.012008.09.03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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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 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

8、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

9、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

10、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

11、: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

12、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

13、、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:

14、 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。

15、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

16、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。 文章最后列出

17、了CR的应用场景,包括:WRAN(IEEE802.22);Ad Hoc;UWB;WLAN, 认知设备对频段的扫描分析可尽快发现非法恶意攻击终端。此外,认知MIMO技术、认知MESH网络(无线多跳的网络拓扑结构,通过中继扩展网络覆盖范围)也被提到。 5.Title: 认知无线电标准化进展Author: 陈劼吴非(成电)Journal: 中兴通讯技术Year: 2007 Issue: 03 文章对CR的标准化进展情况进行了梳理,从中可以看见IEEE以及美国人的厉害之处!国内的研究也应多考虑专利化、标准化和国际化。 关于CR的定义,文章认为Mitola给出的是一个广义定义,更偏重概念和本质;而FCC

18、 的定义偏重工业实现,是一个狭义定义。目前,CR标准制定的组织和行业联盟主要是IEEE、ITU和SDR论坛。 文章认为IEEE目前与CR相关的标准有:802.22,802.16h,P1900,802.11h,802.11y。 2004年10月成立的IEEE802.22工作组是世界范围内第一个基于CR的空中接口标准化组织,其构建的网络被称为WRAN,利用54862MHz的VHF/UHF频段中未被使用的TV信道,工作模式为点到多点,为用户提供无线宽带接入服务。当前的提案包含PHY层和MAC 层规范。PHY层细分为会聚子层和物理媒体(PMD)子层,会聚子层映射MAC层的特定需要到通用的PMD服务。P

19、HY层具有频谱感知功能,通过本地频谱感知以及分布式检测等方法感知信道是否被电视信号占用。MAC层除了提供媒介接入控制外,还以共存为主要目的,为与授权用户的共存和保护授权用户提供了丰富的手段,又引入共存信标协议(CBP)使得具有重叠覆盖区域的基站可协作分配频谱资源。此外,MAC的信道测量和管理功能使其在频谱管理上更加灵活有效。 2004年12月,IEEE802.16工作组专门成立了16h小组来解决其系统之间的共存问题,利用CR技术使802.16用户在免授权频段获得应用,并降低对其他基于802.16的免授权用户造成的干扰。IEEE 802.22和802.16h都只是认知无线电的简单应用。于2005

20、年成立了IEEE 1900标准组,主要进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于CR的发展及与其他无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。文章认为IEEE802.11h协议中的动态频谱选择实际上已经属于CR的范畴。IEEE802.11y是802.11协议簇中基于竞争的协议,制定标准化的干扰避免机制。 ITU关于CR的研究工作原隶属于ITU-R8 A工作组中的SDR研究课题。因为SDR不足以涵盖CR的所有范畴,所以ITU-R于2006年3月提出一项新的建议,将CR单独作为一个研究课题进行研究,这说明ITU已经充分认识到CR在未来通信发展中的重要意义。 SDR论

21、坛于2004年10月成立了CR工作组与CR特殊兴趣组,专门开展有关CR技术的研究。CR工作组主要任务是标准化CR定义及确认可用于CR的技术。特殊兴趣组的任务是对工作组所确认的技术确定商业应用的价值。 DARPA于2003年成立了下一代通信计划(XG),着眼于开发CR的实际标准和动态频谱管理标准,计划研制以CR为核心的系统方法和关键技术,以实现动态频谱接入和共享。该项目研制和开发频谱捷变无线电,这些无线电台在使用法规范围内,可以动态自适应变化的无线环境,在不干扰其他正常工作的无线电台的前提下使可接入的频谱范围扩大近10倍。 6.Title: 认知无线电网络架构与协议体系Author: 朱江李少谦

22、(成电)Journal: 中兴通讯技术Year: 2007 Issue: 03 作者认为,由于CR网络独特的频谱复用性和巨大的覆盖范围,呈现出如下不同于传统网络的特点。第一,在多系统共存条件下分配无线资源。在数据的传输和调度时需要考虑:与交叠的CR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。第二,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。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。第三,系统面临共存问题。共存包含两个层面

23、:其一为与主用户网络的共存;其二为重叠区、部分重叠区内认知网络实体的共存。 文章认为目前具有代表性的CR网络的网络架构有三个:CORVUS系统,WRAN,无线Mesh网络。 2004年,美国加州大学伯克立分校的Brodersen教授提出了基于CR方式使用虚拟非授权频谱的CORVUS体系结构。在CORVUS系统中,由多个次用户(SU)组成次用户组(SUG)。同一个SUG中的节点可以彼此间以Ad hoc方式通信(Ad hoc网络式的业务流),或者通过专用接入节点访问骨干网络(Web式的业务流)。不同SUG中的SU是不能直接通信的。假设在对等SU或者SU与接入点(AP)间只存在单播通信,不支持广播,

24、那么对等SU或SU与AP的通信允许分布式或集中式的组织方式。Web式业务流,SU的工作类似于接入Internet,需要一个基站或接入点的存在以提供接入服务,因此采用集中式控制。Ad hoc式业务流主要式节点之间的彼此通信,采用分布式控制。 WRAN前面几篇文章都有提到,在WRAN系统中,基站和用户驻地设备(CPE)是主要实体,转发器是可选的实体,采用集中式的网络结构。下行方向上,WRAN采用固定的点对多点星型结构,其信息传播方式为广播方式;上行方向上,WRAN向用户提供有效的多址接入,采取按需多址(DAMA)和时分多地(TDMA),即各CPE以传输需求为基础,根据DAMA和TDMA机制共享上行

25、信道。用户通过与基站(BS)的空中接口接入核心网络,一个CPE可支持多个传输数据、语音和视频的用户网络的接入,通过BS可接入到多个核心网络。在CPE与BS之间,系统可通过转发器进行转发。在任何情况下,BS提供集中式的控制,包括功率管理、频率管理和调度控制。 支持多信道多接口的无线Mesh网络按Ad hoc方式或者混合网络方式布置。如果网络中节点具有一个或多个无线电接口(如网卡),可同时接入一个或多个无线信道,节点具有感知无线环境的功能,可以判断信道的使用情况,选择相应的信道接入。 作者认为CR网络在其协议体系设计时应遵循以三条下原则。一、协议设计应充分反映CR技术特征。协议架构设计应结合算法与

26、网络结构设计的成果进行系统性地考虑。三、协议架构设计应尽可能考虑相容性,即考虑与其他系统之间的共存问题。现有的的一些CR协议体系都是以分层协议栈为基础的分层和模块化在将新技术融入现有网络时具有优势。 CORVUS的协议基于通用的OSI/ISO协议栈结构,主要涉及物理层和链路层。DARPA的XG项目,其CR功能的引入只需修改原有协议的物理层和MAC层。物理层增加了XG控制模块,MAC层增加了XG处理模块。XG总体而言是一个MAC层概念,但如感知功能等一些重要部分却分布在物理层,因此必须考虑跨层设计的问题。WRAN的IEEE 802.22标准包括物理层和MAC的协议,与IEEE 802.16系列中

27、的结构、管理和互联等要求保持一致性。由于这部分不是本人兴趣所在,不求甚解。 7.Title: 认知无线电网络关键技术研究Author: 宋会利陈莉宋绯莫永成Journal:移动通信Year: 2008 Issue: Z1 本文探讨的是专用(军用)认知通信网络及其关键技术。作者认为集中式、静态的频谱分配策略引起了频谱使用上的两大难题:匮乏和部署困难。由于不能对已分配频谱在时间和空间上的动态复用,频谱利用效率低下。解决此问题要靠CR技术,以及以CR为基础的认知网络。认知网络围绕认知将环境感知、数据挖掘、智能决策与网络动态配置结合在一起,这四方面也构成了CR网络的关机技术所在。 文章所谓的环境感知不

28、仅包括频谱等无线点环境的感知,更进一步包括网络环境的感知 这构成了网络环境自适应的基础。网络环境主要包括网络类型、网络拓扑、接口协议、可用资源、网络流量等影响端到端传输性能的网络工作状态。 数据挖掘是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中,提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。 智能决策是利用人工智能,特别是专家系统的原理和技术所建立的、辅助决策的计算机软件系统,支持半结构化和非结构化问题的决策。智能决策系统主要包括决策支持系统、专家系统、机器学习、效能评价等。作者重点介绍了博弈论这一辅助决策的重要工具。 未来认知网络应具备自配置、自管理、自优化功能,这就需要网络具有可重配置特性。从认知网络体系结构出发,研究网络可重配置体系、网络可重配置元与快速配置设计。其中快速配置设计研究从跨层设计入手,跨层设计可以对分散在网络各子层的特性参数进行协调融合,以优化网络整体性能。