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。
Java，Sun Micosoft开发的面向对象语言，用来开发与平台独立的软件，基本来说是一种用虚拟机（VM）实时解释的汇编语言。
BREW（binary runtime environment for wireless），Qualcomm开发，是一种可运行于任何OS中的环境，支持C/C++和Java语言。
Python，一种―被解释的、交互的OOP语言‖，脚本语言，在GUNradio中得到使用，OS独立的。
《认知无线电所需技术》by John Polson (Principal Engineer, Bell Helicopter, Textron Inc.)
概念和观点理解：
FCC对SDR（软件定义无线电）定义：一种特征和功能都由软件开发和实现的通信设备。
无线电灵活性和无线电功能的发展延续：随着技术/软件的不断成熟，软件可用无线电à软件可编程无线电à软件定义无线电à意识无线电à自适应无线电à认知无线电。
CR应具有的特征：建立环境意识的感知器，与环境交互的执行器，包括观测事件的状态和记忆的环境模型，帮助选择特定行为或调整达到性能目标的学习功能，一定程度的行动自主性。
频谱意识/频谱占用：被检测的能量是瞬时功率、瞬时带宽和占空比的函数。占空比不能预测，频谱占用是空间变化的，也是时间变化的，而且易受观测障碍物的影响。因此频谱感知需要采用分布式方法[即协同感知]。
与频谱意识相关的隐藏节点问题。隐藏的接收机（比如电视机）可能易受干扰，但无法告知CR其正受干扰影响。协作的方法能缓解，但不能排除隐藏节点问题。
除了知道频率和无线电发射机的发射行为外，CR还需要识别波形特征、确定调制方式，从而允许无线电接入本地网络。[这里，CR的运行已不仅局限在认知网络内，是一种更宽泛的认知功能的应用。]
政策引擎：CR必须能动态更新政策，将政策作为情景的函数来选择合适的政策。XML不适合作为政策语言，因为其解释引擎中不具备推断功能。DARPA XG计划将OWL（Web Ontology Language, Web本体语言）作为一种合适的语言。
代理是能够感觉和行动的实体。智能代理模型较适合CR。可以对代理进行修改以适应于具体应用环境。从以下几个方面对环境进行特征化：完全可观测和部分可观测、确定性和随机性、短暂的和连续的、静态的和动态的、离散的和连续的以及单代理和多代理。
MAC是CR网络的关键。移动Ad hoc组网（MANET）。路由包体系：先应式路由，反应式路由。
[动态频谱接入、频谱转租等，可看作CR的典型应用。]
动态频谱接入和频谱意识：传统静态频谱分配三宗罪：降低了空间重利用、排除了伺机使用、延迟了无线通信网络部署。
动态频谱接入应用提倡使用具有周期性停止发射并侦听传统用户的复杂波形，也需要随时间改变频谱形状的波形。非连续频谱占用是另一个有利的波形特征，它允许宽带通信系统聚集已有信号之间的频谱。
对传统信号周围的空闲频谱使用的各种方法中，动态比特加载的OFDM波形有很多优点，包括平坦衰落的子信道、不需要复杂的均衡、占用不同带宽与可用机会匹配的能力以及使用零子载波降低干扰的能力。
频谱使用随空间和时间变化而变化，需要重复监控，需要合作、分布式协调，必须考虑隐藏节点和暴露节点[何谓暴露节点？]问题。
[Ofcom的研究开发主管William Webb说：―我们怀疑认知无线电技术的原因是存在着隐藏终端问题。‖ 因为建筑物挡在终端和竞相使用同一频率的认知无线电装置之间，终端（如蜂窝电话）会被隐藏起来。认知无线电装置的接收器灵敏度再强，也发现不了这个隐藏终端。Ofcom认为，因而在别人拥有的频谱内引入认知无线电装置是不合适的——也就是说，除非现有使用者本人决定允许它们使用。除了隐藏终端问题，我觉得另一个实际的问题，就是多个认知系统对主系统的累
积干扰作用，可以画个图描述之，一个主系统，相距甚远的多个次系统（彼此独立工作）。]
CR网络的难点在于无线电的相互定位和启动网络传输信息。在传输信息之前，所有无线电必须纵览频谱，确定哪里存在可用空穴。为使整个网络能够开始工作，CR必须一致通过某一协议来互相查找。这一般可有两类方法：
①基础设施辅助汇聚（rendezvous）。基础设施周期性发射信标信号，包含参考时间、下一频率跳变和本地区域频率使用描述。
②非辅助汇聚。军用系统很少能获得基础设施支持，CR发展初期也如此。CR互相查找情况中，一个CR发射，另一个CR要在合适的时间、合适的频率―空穴‖接收——实现非常困难。[有好的解决方案？OFDM波形的一大好处是其可在多个频率（频谱空穴）上发送发射和接收协商信号。]
认知无线电学习笔记一(1)：CNKI综述概述类
CNKI 2007.01.01—2008.09.03有关CR的概述类文献选读(1-2)。
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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{Y ear}: 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。
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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{Y ear}: 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）。
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认知无线电学习笔记一(2)：CNKI综述概述类
CNKI 2007.01.01—2008.09.03有关CR的概述类文献选读(3-5)。
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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。
文章最后列出了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54~862MHz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。PHY 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。
认知无线电学习笔记一(3)：CNKI综述概述类
CNKI 2007.01.01—2008.09.03有关CR的概述类文献选读(6-7)。--------------------------------------------
6. {Title}: 认知无线电网络架构与协议体系{Author}: 朱江李少谦（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：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，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。
《频谱意识》&《认知政策引擎》——学习之二
《认知无线电技术》学习之二，欢迎讨论。我上一篇有该书英文版共享。
《频谱意识》
by Preston Marshall (Defense Advanced Research Projects Agency)
概念和观点理解：
频谱感知无线电提供了从根本上改变管理干扰方式的契机，从而将频谱分配和使用方式从命令和控制结构转变为嵌入无线电的方式。
传统频谱管理，interference analysis is often driven by two unlikely conditions: maximal propagation of interfering signals and minimal propagation of the desired signal. 此即所谓的保守的最差情况分析。如果分析中考虑移动性，则情况变得更加严格。
[即便由于政策及实际困难等因素，感知不能用来为次级用户寻找接入授权频谱的机会，它也可以用在实际系统中，通过查找新的未使用频谱来解决本地干扰问题。——此功能是一种更宽泛意义上的认知无线电应用？]
谱覆盖区域最小化
香农定理表明本质上每赫兹带宽比特数可以无限大，但每比特能量(Eb)必须指数级增长，从而辐射谱能量以谱信息密度[即每赫兹带宽比特数，常用来定义频谱效率]的三次幂增加。考虑某种波形应用频谱影响，不仅要包括所用频谱的数量，同时也应包括它所传播的范围——力图使频谱覆盖区域最小化。
图5.3。将所有频谱使用者看成一个整体，只考虑单位赫兹比特数的简单频谱策略并不能达到预期目标。实际上，传播条件越好，增加能量来提高频谱效率的越无效。
单位带宽单位面积比特数反映的频谱优化中最关键的问题不是频谱使用，而是频谱复用，并且需要测量和优化的不仅仅是无线电本身如何执行，还包括无线电如何以接近全局最优的方式与其他无线电共享频谱。
频谱感知，两种实现技术：①常规频谱分析仪快速调谐整个带宽，通过调整扫描频率在每个频率上提供最够长的―驻留时间‖。以最够快的速度扫描所有信道达到信号要求的―实时性‖。
②最近，模数转换使得FFT的使用变得可行，其优点是提供了FFT窗口内的瞬时频率分析。
潜在干扰分为两类：第一类是对正在通信的主用户的直接干扰，导致通信质量下降；第二类是对未使用的信道的干扰，导致主用户误以为信道或设备存在问题。
[第二类不是主要问题，因为现有系统一般都会有自己的信道资源管理机制，而且可以通过试探接入让次用户快速退出它欲使用的信道——只要次用户的感知灵敏度足够。]
链路汇聚（Link Rendezvous）：开始启动时如何找到想要通信的其他无线电？
分布式感知和操作
当频谱感知问题离开信号处理领域进入认知处理领域时就产生了分布式操作问题。任何无线电对完全理解它所处环境的能力都存在固有的限制。无线电创造频谱意识的一个基本问题是单个（single）无线电（特别是接近地面的）易受大量的传播影响，这些影响相互结合，最大限度地扰乱了无线电理解频谱环境的能力。从直接通信到衍射通信是导致不确定性的主要原因。无线电并不具备知道哪种传播条件的能力，这会影响其感知、确定干扰以及评估自身通信结果的功能。信号的传播涉及五个实体，包括受害发射机、受害接收机（不知道其位置及是否存在）、认知发射机、认知接收机以及频谱感知器（不一定在认知无线电终端处）。可以建立这些节点间的可能传播条件矩阵，矩阵的值表示各个节点之间的传播特性。在刚开始时认知无线电对如何完成这个矩阵并没有意识，所以必须考虑每条链路的最差情况。
消除不确定性可以大大降低认知发射机对受害接收机无干扰的发射功率。在这种情况下，要有对多径的假设，而多个感知器测量同一发射信号则可以大大减轻干扰分析假设的保守性。正因为如此，集体式（collective）（协同）感知是认知无线电发射合适能量等级所必须的，特别是在直射和多径衍射混合的区域更是如此。这表明需要附加算法来融合感知数据并未无线电之间传播假设建立可接受的确信界限。
In the case of MIMO, we use the channel awareness much more architecturally, in that we design the links, and potentially the topology of the network, to be dependent on this multipath, rather than just tolerant of it. -- 在MIMO中设计链路和网络拓扑时使用信道意识更体系化，设计依赖于多径而不是忍受多径的影响。
干扰温度的概念向频带使用者保证引入频带的总噪声将不会超过一定的频谱噪声温度。设备必须首先测量已有噪声温度，接着决定是否可以增加更多噪声而不超过该频带的最大温度。这是频谱共存的一个重要的本质性变化，因为设备确定自身对其他用户的影响并做出相应调整，而不是根据事先定义的不会影响其他用户的极限值来执行操作。尽管算法不复杂，但却跨越了认知门限，因为无线电不仅能感知环境，而且无线电的行为在一系列对环境影响许可的约束的引导下完成。
传播能量损耗的一些知识
通常以对数尺度上损耗的分贝（decibel, DB）来衡量。3dB表示接收到的功率只有发射时的一半，6dB表示1/4的功率，10dB表示1/10的功率，20dB表示1/100的功率，30dB表示1/1000的功率，等等。实际通信范围内传播损耗通常达到100dB（十亿分之一的功率）。
自由空间功率损耗与距离平方成正比（R2条件），也即距离增加一倍，接收能量变为原来的1/4，下降了6dB，称为6dB损耗。地球表面的传播在距离加倍时传播损耗以9dB或12dB 增长，分别对应R3、R4条件。郊区时，通常取R3.8条件。
《认知政策引擎》
by Robert J. Wellington (Department of Physics, University of Minnesota, Bloomington, MN, USA)
概念和观点理解：
Policies are procedural statements expressing administrative conventions that are adopted by various organizational entities. 政策是用来表达各种组织实体采用的管理约定的程序化陈述。A―policy engine‖ is a program or process that is able to ingest machine-readable policies and apply them to a particular problem domain to constrain the behavior of network resources. 政策引擎是一个程序或一个过程，它能读取机器可读的政策，将它们应用于特定的问题领域，从而约束网络资源行为。
政策引擎的输出通常累加到特定种类网络设备的配置命令或认证中，在这个意义上，政策引擎是连接特定域实体和特定设备功能间的桥梁。普遍的研究趋势是将政策引擎视为一个能根据规则进行演绎推理的通用工具。
在基于政策的组网领域有两种研究趋势：①将政策分解为不同复杂度的条件规则组；②使用面向对象的表示方法来支持机器可读性。
FCC SPTF: ―… spectrum policy is not keeping pace with the relentless spectrum demands of the market.‖ Two recurring recommendations have been to ―migrate from the current command and control model to [a] market-oriented exclusive rights (面向市场的专用) model and unlicensed device/commons (非授权设备/共有) model‖ and to ―implement a new paradigm (范例) for interference protection.‖
Multiple policy engines—one for the physical layer (物理层政策引擎), one for the network (网络政策引擎), and one for the user (用户政策引擎)—are possible; this chapter mainly covers the physical layer policy engine. In addition, there may be engines for equipment-specific
implementation, behavior-specific policies, or other policies.
认知政策引擎在同一个平台上执行PDP（政策决策点）和PEP（政策执行点）功能。
The policy engine will be responsible for both interpreting and enforcing spectrum policies, as well as monitoring platform events to trigger changes in the configuration of the radio functions. 认知政策引擎负责解释和实现频谱政策，并监督触发无线电功能配置上变化的平台事件。
政策引擎和无线电平台的功能接口可被定义为监督和控制无线电的关系。另一种方法将接口的目的看成是验证无线电操作符合所有相关政策。
The integration of the policy engine into the cognitive radio is primarily an issue of software system engineering (软件系统工程的一个基本问题). The process will involve deriving a complete set of software requirements (软件要求的完整集合) from the system concepts; defining a software architecture (软件结构) that is compatible with the cognitive radio platform software architecture; defining the software interfaces (软件接口); and designing, coding, and testing the software components (软件组件).
政策认知引擎包含三个逻辑部件：执行引擎、情景匹配器和观测器。观测器根据观测值和观测时间来定义状态。情景匹配器通过匹配系统的观测状态和已存储的情景说明做出政策决策。执行引擎在算法块上运行，产生指令序列，控制无线电。
Network policies (网络政策) constrain network communications. Specifically, network policy defines the relationship between clients (users, applications or services) using spectrum resources and the radios that provide access to those resources. 定义了使用频谱资源的客户（用户，应用或业务）和提供接入的无线电之间的关系。
At the network level, the policy manager must be focused on managing services (集中管理业务) by creating policies for individual devices based on the roles they will play in the network architecture. This is the root of the distinction between network-level policies and device-level policies. 网络层政策和设备层政策的区别的根源。
Military network communications are managed by a hierarchy of network operations centers that fit naturally into a recursive management model. 军事网络通信是由网络操作中心层管理的，网络操作中心层结构能自然地与循环管理模型相适应。
In fact, the military is unique in that it can hierarchically manage both the network resources and the demand by users for resources, unlike commercial market applications in which the financial goals always involve increasing user demand for services. 军事网络的特色是其可对网络资源和用户的资源需求进行分层管理，商业市场应用则不然，其财务目标总是想增加用户的业务需求。
FCC的频谱授权和出租方法已变得非常无效。have led to artificial shortages (人为的短缺) due to the dedication of frequency bands for underutilized services (将频段分给未充分利用频谱的应用).
It is one thing to design a policy management architecture and another thing to demonstrate that its functionality is worth the effort to implement it. 证明其功能是否值得实现是另一回事。
A practical cognitive policy engine would enable the cognitive radio to operate reasonably within a suitable policy space (政策空间).
The most difficult challenge lies not in processing or enforcing the policies, but rather in coherently, unambiguously specifying what behavior is desired. 困难不在处理和执行政策，而在于连贯、无歧义地说明所希望的行为。
认知无线电学习之三：Haykin
几乎所有讨论CR的文献，除了引用Mitola的那篇Cognitive radio: making software radios more personal之外，就要引用Haykin的Cognitive radio: brain-empowered wireless communications。Simon Haykin的资格要比Mitola老许多，是真正的牛人，写过许多著作，研究流域极为广泛，而且令我惊奇的是他的成名著作大都只有一个作者（不像国内许多专著都是一堆一堆的作者），比如我用过的《自适应滤波器原理》。目前此牛人正在筹备中的一部著作称为Cognitive Dynamic Systems，提出一个恐怕是目前关于―认知‖的最宏观的概念―认知动态系统‖，Haykin认为认知无线电和他此前提出的认知雷达都应是这个系统的具体例子，并预言将产生一个新的学科。
读Cognitive radio: brain-empowered wireless communications这篇文章是一件很累人的事情，因为Simon Haykin在这篇文章里包含了太多的东西，看看他这篇文章的结构：
The remaining sections of the paper are organized as follows.
Sections II–V address the task of radio-scene analysis, with Section II introducing the notion of interference temperature as a new metric for the quantification and management of interference in a radio environment. Section III reviews nonparametric spectrum analysis with emphasis on the multitaper method for spectral estimation, followed by Section IV on application of the multitaper method to noise-floor estimation. Section V discusses the related issue of spectrum-hole detection.
Section VI discusses channel-state estimation and predictive modeling.
Sections VII–X are devoted to multiuser cognitive radio networks, with Sections VII and VIII reviewing stochastic games and highlighting the processes of cooperation and competition that characterize multiuser networks. Section IX discusses an iterative water-filling (WF) procedure for distributed transmit-power control.
此段文字之前是两页半CR的引言部分。
此文章的写作目的是to build on Mitola’s visionary dissertation by presenting detailed
expositions of signal processing and adaptive procedures that lie at the heart of cognitive radio. 信号处理和自适应过程是Haykin最擅长的领域了（有经典著作为证）。
Mitola提出CR是基于其最擅长的SDR，Haykin对CR的解读要从其对擅长的信号处理的角度。这对我的启示是，要在极有限的时间内完成我的学位论文，必须从我有基础的物理层技术着手，而要放下看起来似乎更诱人的数据融合、资源管理等等MAC及更高层的东西。所以我的研究重点应该是CR中的频谱感知和信号检测等——这些内容虽然相对研究得比较多了，但应该还有许多可做之处。
P.S. Haykin 领导的实验室的网站——
《认知无线电技术》学习三《物理层和链路层认知技术》
《物理层和链路层认知技术》
by Thomas W. Rondeau and Charles W. Bostian
(Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech,
Blacksburg, VA, USA)
概念和观点理解：
case-based theory -- 案例理论；genetic algorithms (GAs) -- 遗传算法（GA）
It is not a purely selfish adaptation where the radio seeks to maximize its own consumption of resources. CR不是只追求自身资源消耗最大化的自私自适应参数调整。
―tragedy of the commons‖ -- 共有悲剧. 2.4GHz ISM频段，IEEE 802.11设备和蓝牙设备相互干扰，前者有更高的发射功率，后者具有不断重发数据包直到传输成功的协议。
This chapter addresses methods of how to find a local or global optimum for the current channel environment (当前信道环境下的全局或局部最优).
最优的定义：a radio is optimized when it achieves a level of performance that satisfies its user’s needs while minimizing its consumption of resources such as occupied bandwidth and battery power. 满足用户需求的同时最小化其带宽和功率等资源消耗。
Cognitive radios merge AI and wireless communications. -- CR是AI与无线通信相结合的产物。认知引擎是其智能核心。
The cognitive engine takes in information from the user domain, the radio domain, the policy domain, and the radio itself. The user domain (用户域) passes information relevant to the user’s application an d networking needs to help direct the cognitive engine’s optimization. The radio domain (无线电域) information consists of radio frequency (RF) and environmental data that could affect system performance such as propagation or interference sources. The policy engine (政策引擎) receives policy-related information from the policy domain (政策域). This information helps the cognitive radio decide on allowable (and legal) solutions and blocks any solutions that break local regulations.
In radio, we can think of the classical transmitters and receivers as having adjustable control
parameters (knobs) that control the radio’s operating parameters.Knob -- 旋钮，文中用其代表无线电的可调节参数。
Radio performance metrics are referred to as meters. Meter -- 文中用来作为衡量CR结果的指标。
The knobs of a radio are any of the parameters that affect link performance and radio operation. -- Knob：影响链路性能和无线电操作的任何参数。物理层中，中心频率、符号速率、发射功率、调制类型和调制阶数、PSF（脉冲成型滤波器）类型和阶数、扩频类型、扩频因子等；链路层中则为各种可以改进网络性能的变量，信道编码与交织的类型和速率、接入控制方法（如流量控制、帧大小以及多址接入技术）等。
[物理层&链路层&MAC层知识——
物理层的主要任务是实现通信双方的物理连接，以比特流(bits)的形式传送数据信息，并向数据链路层提供透明的传输服务。物理层是构成通信网络的基础，所有的通信设备、主机都需要通过物理线路互联。物理层建立在传输介质的基础上，与传输媒介密切相关，是系统和传输介质的物理接口，是OSI模型的最低层。物理层有关的连接设备有：集线器、中继器、传输媒介连接器、调制解调器等。物理层主要解决的问题是：连接类型、物理拓扑结构、数字信号、位同步方式、带宽使用、多路复用等。
数据链路层的功能就是利用物理层提供的比特流传输功能，实现在相邻节点(node)间的透明、可靠的数据传输，具体要实现下列功能：链路管理、帧同步、差错控制（CRC，ARQ，信道编码，交织）、流量控制。根据网络规模的不同，数据链路层的协议可分为两类：一类是针对广域网（W AN）的数据链路层协议，如HDLC、PPP、SLIP等；一类是局域网（LAN）中的数据链路层协议，如MAC子层协议和LLC子层协议。
MAC(子)层位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC层。]
Performance is a measure of the system’s operation based on the meter readings. In optimization theory (最优化理论), the meters represent utility and cost functions (效用或代价函数) that must be maximized or minimized for optimum radio operation. All of these performance analysis functions constitute objective functions (目标函数).
Modeling Outcome as a Primary Objective -- 将结果建模为主要目标
The basic process followed by a cognitive radio is that it adjusts its knobs to achieve some desired (optimum) combination of meter readings. Rather than randomly trying all possible combinations of knob settings and observing what happens, it makes intelligent decisions about which settings to try and observes the results of these trials.
BER与SINR的观测例子
The radio observes the BER and SINR value. If these are consistent according to the above formulas, the radio can assume that the channel is behaving predictably. It can then turn knobs that directly affect SINR, for example starting with the easiest, transmitter power. If the transmitter power is already at the allowable limit, the radio may lower the data rate to change the occupied
认知无线电的发展历程与现状
认知无线电的发展历程与现状 认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，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，认知无线电就是通过频谱感知(Spectrum Sensing )和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA dynamic spectrum allocation )和频谱共享(Spectrum Shari ng )。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Sha nnon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz 左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1. 认知无线电的发展历程
认知无线电的发展历程与现状
认知无线电的发展历程与现状 摘要：认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，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，认知无线电就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。本文主要分析认知无线电的起源，认知无线电的关键技术概要，认知无线电的相关标准化进程以及认知无线电的应用场景等多个方面，对认知无线电进行一个概述，从而加深对无线电的认知与了解。 关键字：认知无线电、起源、关键技术、标准化、应用 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Shannon理论。 美国联邦通信委员会的大量研究表明：ISM频段以及适用于陆地移动通信的2GHz左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲。因而提出了认知无线电。认知无线电是一种智能频谱共享技术。它通过感知频谱环境、智能学习并实时调整其传输参数，实现频谱的再利用，进而显著地提高频谱的利用率，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 1.认知无线电的发展历程 认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在1999年提出的，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并在论文中描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2004年Rieser支出认知无线电不一定必须有SDR的支撑，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适用于可快速部署的灾难通信系统。该认知模型可对无线电系统的物理层和MAC层烦人演进建模，主要由三部分组成，包括用于监听无线环境，进行信道建模的无线信道遗传算法（WCGA）、演进并自适应无线环境的无线通信遗传算法（WSGA）和根据无线电信道模型和无线电参数，监视并改变系统的状态，以决定如何适应无线电的认知监视系统（CSM）。 2003年5月，FCC召开了无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。并且对从频谱管理的角度出发对认知无线网进行了官方定义，认为认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射参数的无线电设备。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现“开放
认知无线电技术
现代通信系统 论文 题目：认知无线电技术 姓名：朱雪峰 学院：潇湘学院 专业：通信工程 班级： 001 学号： 1254040121 指导教师：钟斌 2015年11月1日
目录 一、引言 (2) 二、认知无线电的基本概念 (2) 三、认知无线电的功能与实现 (4) 1.认知无线电的主要功能 (4) 2.认知无线电的实现关键 (5) 四、认知无线电的标准化 (7) 五、认知无线电的管制与应用情况 (8) 六、未来发展与展望 (9)
认知无线电技术的研究及发展 【摘要】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。由于该技术能够自动检测无线电环境，调整传输参数，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，可以大幅度提高频谱利用效率。本文首先从认知无线电技术的定义入手，分别讨论了认知无线电的基本概念、功能与实现、标准化的进程。然后介绍了当前应用状况，最后分析了未来的发展及面临的挑战。 一、引言 随着无线通信技术的发展，人们可以获得的带宽不断地增加，移动通信的数据速率从10 kbit/s增长到2 Mbit/s，在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒。但即使如此，也无法满足人们日益增长的无线接入需求。为了缓解这一矛盾，一方面，人们不断开发新的无线接入技术，利用新的频段来提供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率。但由于移动终端天线尺寸和功率的限制，可以用于无线接入的频段很有限。在提高频谱效率方面，目前较为先进的CDMA空中接口技术，如HSDPA可以达到1 bit/（s·Hz）的频谱效率，将来OFDM和MIMO技术的应用也只能达到3-4 bit/（s·Hz）的频谱效率。3-4倍的频谱效率的提高对于人们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。认知无线电技术的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面。 二、认知无线电的基本概念 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[1]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[2]。 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入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。美国联邦通信管理委员会（FCC）充分注意到了这一点，于2002年11月出版了频谱政策任务组撰写的一份报告[3]，该报告指出，当前分配的绝大多数频谱的利用率为15%-85%。因此FCC认为当前存在的最主要问题并不是没有频谱可用，而是现有的频谱分配方式导致资源没有被充分利用。只有彻底改变当前固定频谱分配政策，部分甚至全部采用动态频谱分配政策，使多种技术可以实现“频谱共享”，才能
认知无线电应用思考
关于认知无线电的应用思考 认知无线电核心思想是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。CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。 工程化得话，就是基于与操作环境的交互能动态改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能。CR是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户(主用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。 过程： 通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地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变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进 行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。 认知无线电中，次级用户动态的搜索频谱空穴进行通信，这种技术称为动态频谱接入。在主用户占用某个授权频段时，次级用户必须从该频段退出，去搜索其它空闲频段完成自己的通信。
1.平台结构 认知无线电的物理平台的实现是以软件无线电平台为基础的，其物理平台结构与软件无线电平台结构基本相同，两者之间的比较如图3[9]所示，它主要在软件无线电平台的基础上增加了感知，学习等功能，以实现其独特的认知能力。 其中，无论对于软件无线电平台还是认知无线电平台，软件部分的硬件支撑都是通用硬件平台。也就是说，从图1可以看出，和软件无线电类似，认知无线电物理平台也主要由射频前端、数模模数转换器以及通用硬件平台3个部分组成。 图1认知无线电与软件无线电物理平台结构的比较 其中，为软件提供硬件支撑的认知无线电通用硬件平台的组成和结构与软件无线电系统的硬件平台基本类似，但除了常见通信系统所需的数字信号处理外，认知无线电还需要完成频谱感知、频谱分析、频谱判决等认知无线电特有的功能。 而认知无线电平台中使用的A/D和D/A模块的作用和性能指标也与软件无线电系统基本相同。A/D和D/A模块一般集成在通用硬件平台之中。
认知无线电之频谱共享技术
软件无线电课程论文 论文题目：认知无线电之频谱共享技术 姓名： 学号： 班级： 目录 目录 2 摘要 3 1 引言 3 2 研究现状 3 3 基本原理和算法 3 4 分布式动态频谱共享系统系统模型 3 5 个人理解和体会 3 6 参考文献 3 摘要 当前,无线频谱资源的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电(Cognitive Radio,CR)作为一种新兴的技术,它改变了传统的由政府授权使用无线电频谱的方式,它以频谱利用的高效性为目标,允许非授权用户机会式利用授权用户的频谱空洞传输,被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的一种新方法。基于认知无线电技术进行频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.本文将从研究现状、原理等简单介绍认知无线电中的频谱共享技术。 关键字：认知无线电频谱共享技术频谱利用频谱分配 1 引言 基于认知无线电技术进行动态频谱共享,能大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,极大地改变目前无线频谱资源日益紧缺的状况.动态频谱共享本质上是一种多目标优化问题,由于所有参与者(包括主用户和认知用户) 具有不同的目标和利益,彼此之间的决
策行为相互影响,并存在竞争和协作关系. 如何设计频谱的使用规则和相关接入机制,协调所有参与者的行为实现有效的频谱共享,满足各自不同的利益需求就成为关键问题. 目前,利用博弈论的方法分析动态频谱分配策略研究逐渐被研究者关注. 目前普遍采用的非合作博弈模型中,理性的博弈者总是追求自身利益最大化,从而导致博弈的纳什均衡偏离全局最优状态. 解决这一问题的一种有效方法用户效用函数的设计中,除了包括用户自身的收益之外,还将自身行为对其他用户造成的影响考虑在内. 每个用户在追求自身效用最大化的同时兼顾了其他人的利益,其结果使得非合作博弈的均衡状态收敛于系统的最优状态. 2 研究现状 认知无线电的频谱共享技术在提高频谱利用率方面的价值引起了各国电信管制机构的兴趣，不过由于认知无线电的技术和概念都非常超前，多数国家仍在研究讨论当中，只有美国的FCC已经正式批准具备认知无线电性能的设备进入市场。 近年来美国希望大力发展宽带无线接入业务，但由于频谱资源匮乏，亟需寻找新的频段给新的接入技术。美国是最早推动和批准使用认知无线电设备的国家。FCC从2003年就开始尝试引入认知无线电提高频谱的利用。2003年12月，FCC公布了《使用认知无线电技术促进频谱利用的通知》，就《FCC规则第15章（FCC rule part 15）》（用于数字式设备和低功发射机的法规）进行了修订，并于2005年10月，正式批准了关于引入认知无线电技术、使用认知无线电设备的法规。 FCC认为目前最适合应用认知无线电技术的是UHF中分配给电视广播业务的6 MHz频段，因为目前该频段在美国利用率很低，通过允许其它免许可设备使用这个频段，不仅可以提高频率利用率，而且还可以推广宽带无线接入业务，因为这个波段传播距离远，适合为偏远地区提供服务，可以促进美国社会的宽带普及。FCC认为认知无线电技术还可以在高频率频段发挥作用，如100 GHz以上的频段在美国的使用率只有5%-10%。 认知无线电的频谱共享技术听起来是个十分新颖的概念，但事实上无线局域网（WLAN）领域已经开始利用认知无线电技术的频谱共享技术。 WLAN是最早利用认知无线电频谱共享技术的无线通信系统。FCC等法规机构要求802.11a无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰，这种躲避雷达的能力要求系统具有强大的CR类自适应能力，而这只是WLAN-CR功能的开始。 无论在军用还是民用领域，认知无线电的研究与应用都处于起步阶段。在军用领域，美国国防部高等研究计划署（DARPA）于2003年成立了下一代通信计划（XG），着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准。2003年开始，Raytheon公司与DARPA签订了下一代无线通信计划的合同。从事认知无线电相关的技术研究与开发。在民用领域，Motorola、Intel等公司也已经成立认知无线电研究组并开始开展相关的研究。 3 基本原理和算法 3.1频谱共享技术概述 采用高效频谱利用技术，首先需要重新认识频谱，频谱不是具体和有限的资源，它是抽象和无限的资源，对其利用率高低取决于所采用的技术。其次，需要详细探讨能充分利用频谱的高效频谱利用技术。近年来随着智能天线、高性能数字处理器，新型扩频码、多址接入技术，软件无线电、智能无线电、感知无线电，动态频谱分配和共享等新技术的迅猛发展，为频谱高效利用提供了可能。 在这些改善频谱利用的新技术中，多无线电系统动态频谱分配与共享技术能显著提高整体频谱利用率，从长远看是提高频谱利用率的根本方法。但动态频谱分配需要改变现有频谱分配总体结构，对频谱管理、网络结构、通信终端等方面改变较大，近期看，实现难度较大。而频谱共享技术在不改变现有频谱分配总体结构下，通过不同无线电系统频谱共享来提高频
认知无线电技术
认知无线电技术 相信童鞋们都对大名鼎鼎的认知无线电技术有所耳闻，那到底是个什么东东呢？下面射频君就来给大家普及一下认知无线电的基本知识。随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据伟大的香农同志所提出的信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。问题出现了，解决发法捏？因此，伟大的科学家筒子们提出了采用认知无线电(CR，全称Cognitive Radio)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。认知无线电是一种智能频谱共享技术，通过智能学习以及对频谱环境的感知对传输参数进行实时的调整，能够对频谱的利用率进行显著的提升。 “无线电之父”Mitola的概念模型包括硬件和软件。其软件部分由基础软件和智能软件构成。硬件部分重点使用软件无线电的基本体系结构，由安全模块、调制解调器、天线、射频、基带信号处理和用户接口部分构成。调制解调器可以解决收发信号的调制解调以及均衡信号的问题；天线是为了接收并发射无线电信号；射频前端由无线电信号的放大以及其必要变换构成；基带处理模块能够解决网络中的各种协议与控制问题，兼容不同的网络；用户接口部分可以根据RKRL语言满足不同的接口服务，同时使用关于用户需要的支持自动推理的方
法，实现个人通信服务。 1. 频率侦听 认知无线电技术在应用中，能够对频谱进行连续的侦听，以此对没有占用的频谱进行及时的发现，在不对主用户造成干扰的情况下对用户的再次出现进行快速的检测，以此便于为用户腾出相应的带宽。要想对该功能进行实现，就需要对一种新的功能-频谱侦听技术进行运用，能够获得非常高的检测率。而受到检测能力的限制以及阴影衰落以及多径情况的影响，为了能够更为准确的对用户不同的接收功率进行检测，该技术在带宽频率捷变以及前端灵敏度方面具有更高的要求。在早期，其对周期平稳过程以及导频信号技术进行应用，并不能够对频谱检测的可靠性进行满足。而就目前来说，则可以通过DF、AF以及CF协议的应用对其频谱侦听能力进行提升。 2. 动态频谱分析 在现今的频谱研究中，欧洲地区的很多项目已经对不同网络的动态频谱分配算法进行了研究，而对于认知无线电网络来说，用户在可用信道、位置以及数量方面的需求具有着变化的特征，并因此使这部分技术存在着不完全适用的情况。考虑到目前动态频谱分配在标准、政策以及接入协议等方面的限制，基于频谱统筹策略是现今应用较多的频谱共享技术，在该技术中，其思想即首先将不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，之后再将其划分为不同的信道。没有得到授权的用户，则可以对这部分空闲的信道进行临时的占用。对于该策略来说，对信道应用的公平性以及利用率进行了充分的考虑，可以说是一个受
认知无线电原理技术与发展趋势
摘要：认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。当前，认知无线电技术从理论到实践都面临很多困难。文章简述了认知无线电的基本原理，对认知无线电涉及的射频、频谱感知和数据传输等物理层核心关键技术进行了总结分析，并结合当前的发展状况对该技术未来的发展趋势进行了预测。 关键词：认知无线电；频谱感知；数据传输；网络体系与协议 Abstract: Cognitive Radio (CR) is an intelligent radio technology which has the capability to search and utilize underutilized spectrum resources. CR has been recognized as an effective solution to the dilemma introduced by the rapid growth of wireless communications and the scarcity of spectrum resources. However, from theory to practical applications, there are many challenges faced by CR currently. In this paper, the key physical layer techniques of CR, such as radio frequency front-end, spectrum sensing and data transmission, are discussed. According to the status of the research, the development tendency of this technology is also predicted. Key words: cognitive radio; spectrum sensing; data transmission; network architecture and protocol 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 这一思想在2003年美国联邦通信委员会(FCC)的《关于修改频谱分配规则的征求意见通知》中得到了充分体现，该通知明确提出采用CR技术作为提高频谱利用率的技术手段。此后，CR技术受到了产业界和学术界的广泛关注，成为了无线通信研究和市场发展的新热点。然而，CR技术从理论到大规模实际应用，还面临很多挑战。这些挑战包括了技术、政策和市场等诸多方面。本文从技术的角度，总结分析CR的基本原理、关键技术，并对将来技术发展趋势进行预测。 1 认知无线电基本原理 1.1 认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola Ⅲ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[1-3]，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin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”[4]。Simon Haykin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。”
认知无线电中频谱感知技术研究 Matlab仿真 免费分解
毕业设计（论文）题目：认知无线电中频谱感知技术研究专业： 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 指导单位： 20分太坑爹了。老子放个免费的 日期：年月日至年月日
摘要 无线业务的持续增长带来频谱需求的不断增加，无线通信的发展面临着前所未有的挑战。无线电频谱资源一般是由政府统一授权分配使用，这种固定分配频谱的管理方式常常会出现频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这与日益严重的频谱短缺问题相互矛盾。认知无线电技术作为一种智能频谱共享技术有效的缓解了这一矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱环境，自动搜寻已授权频段的空闲频谱并合理利用，达到提高现有频谱利用率的目的。频谱感知技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。 本文首先介绍了认知无线电的基本概念，对认知无线电在 WRAN 系统、UWB 系统及 WLAN 系统等领域的应用分别进行了讨论。在此基础上，针对实现认知无线电的关键技术从理论上进行了探索，分析了影响认知网络正常工作的相关因素及认知网络对授权用户正常工作所形成的干扰。从理论上推导了在实现认知无线电系统所必须面对的弱信号低噪声比恶劣环境下，信号检测的相关方法和技术，并进行了数字滤波器的算法分析，指出了窗函数的选择原则。接着详细讨论了频谱检测技术中基于发射机检测的三种方法：匹配滤波器检测法、能量检测法和循环平稳特性检测法。为了检验其正确性，借助 Matlab 工具，在Matlab 平台下对能量检测和循环特性检测法进行了建模仿真，比较分析了这两种方法的检测性能。研究结果表明：在低信噪比的情况下，能量检测法检测正确率较低，检测性能远不如循环特征检测。 其次还详细的分析认知无线电的国内外研究现状及关键技术。详细阐述了频谱感知技术的研究现状和概念，并指出了目前频谱感知研究工作中受到关注的一些主要问题，围绕这些问题进行了深入研究。 关键词：感知无线电；频谱感知；匹配滤波器感知；能量感知；合作式感知；
认知无线电关键技术及应用的研究现状
https://www.wendangku.net/doc/901500835.html, 认知无线电关键技术及应用的研究现状1 郭彩丽,张天魁,曾志民,冯春燕 北京邮电大学通信网络综合技术研究所（100876） Email:caili_guo7@https://www.wendangku.net/doc/901500835.html, 摘 要：归纳了认知无线电功能的演进，讨论了其相关频谱政策和标准化工作的进展，并重点对频谱侦听和主用户检测、动态频谱分配、功率控制等关键技术及认知无线电在无线区域网WRAN、Ad Hoc网络、UWB系统中应用的研究现状做了分析。在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。 关键词：认知无线电； 频谱侦听；主用户检测；动态频谱分配；功率控制 1引言 目前随着无线通信业务需求的快速增长，可用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，如链路自适应技术、多天线技术等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的频谱利用率极低。以美国为例，美国联邦通信委员会(FCC, Federal Communications Commission)的大量研究报告说明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段占用拥挤，而有些授权频段则经常空闲[1]。来自美国国家无线电网络研究实验床(NRNRT, National Radio Network Research Testbed)项目的一份测量报告表明3GHz以下频段的平均频谱利用率仅有 5.2%[2]。因此近几年来，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱共享技术受到了人们的广泛关注。 现有的频谱共享技术，如工业、科学和医用(ISM,Industrial, Scientific, and Medical)频段开放接入、工作于3GHz～10GHz频段的超宽带(UWB, Ultra-Wide Band)系统与传统窄带系统共存等技术通常应用于固定频段的共享，或受限于发送功率的短距离通信。这些技术在提高频谱利用率的同时却增加了干扰，限制了通信系统的容量和灵活性。认知无线电(CR, Cognitive Radio) [3,4,5]作为一种更智能的频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态的检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用。这将大大降低频谱和带宽的限制对无线技术发展的束缚。因此这一技术被预言为未来最热门的无线技术。 2CR功能的演进 CR的概念虽新，但其思想已在无线通信的许多领域得到了应用。典型的例子有：工作于45MHz左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免使用已占用的信道；免授权1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：2003001312）资助 - 1 -
认知无线电技术介绍
认知网络课程学习报告题目：认知无线电技术简介
目录 1、认知无线电简介 ………………………………………………………………………………………………………….- 1 - 1.1 技术产生背景.................................................................................................................. - 1 - 1.2 基本理念和平台结构..................................................................................................... - 1 - 1.3 认知无线电的发展及研究现状 .................................................................................... - 3 - 2、认知网络关键技术................................................................................................................... - 4 - 2.1 频谱检测技术.................................................................................................................. - 4 - 2.2 自适应频谱资源分配技术............................................................................................. - 5 - 2.3 认知无线电下的频谱管理............................................................................................. - 5 - 3、认知无线电的标准化............................................................................................................... - 6 - 4、认知无线电的应用场景........................................................................................................... - 7 - 5、结语............................................................................................................................................ - 9 - 参考文献........................................................................................................................................ - 10 -
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
认知无线电
航天器通信技术的发展和应用课程报告 《认知无线电技术研究》 姓名房鑫 学号 151230124 学院航天学院 专业信息工程 二〇一六年三月 I
摘要 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。
1绪论 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。 现在的频谱管理策略是基十静态控制的模型，频谱是固定授权分配的，因此导致了较低的频谱利用率。而认知无线电技术使得次用户对频谱的二次使用成为可能，极大地提高了频谱利用率，被认为是解决频谱缺乏问题的方案之一。本章将对认知无线电技术做一个简单的介绍。 1.1认知无线电的概念与特征 自1999年“软件无线电之父”Joseph MitolaⅢ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Simon Haykin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”。Simon Haykin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。” 无线频谱资源在传统的无线通信系统中是固定授权分配的，这样的分配方式有利于保证系统的服务质量(QoS,Quality of Service)，但是也这样的分配方式也导致了频谱利用率的低下[1][2]。FCC(Federal Communications Commissions，美国联邦通信委员会)的一份调查报告表明,分配给授权用户的频段其使用率在不同时间不同地区的波动很大,从15%-85%不等。而认知无线电的正是为了解决这个问题而提出的。 认知无线电的概念是Joseph MitolaⅢ博士于1999年在IEEE Personal Communications杂志上明确提出的[3]，强调软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）是实现CR的理想平台，是对软件无线电的进一步的扩展。Joseph MitolaⅢ博士于2000年在他的博士论文给出了他对认知无线电的定义。他认为：
认知无线电的关键技术和应用研究
2007年第7期，第40卷 通 信 技 术 Vol.40，No.07,2007 总第187期Communications Technology No.187,Totally 认知无线电的关键技术和应用研究 刘 元①，彭 端②，陈 楚① （①广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006；②广东工业大学实验教学部，广东 广州510006） 【摘 要】认知无线电是一种新的智能无线电技术，它通过动态的接入频谱为用户提供高容量的服务，能极大的改善现有的低效的频谱利用率。文章重点分析了认知无线电中频谱检测、频谱管理、功率控制等关键技术，以及认知无线电在超宽带、Mesh网、无线区域网的应用现状，最后探讨了认知无线电发展需要关注的难点问题。 【关键词】认知无线电；频谱检测；频谱管理；功率控制 【中图分类号】TN929【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2007)07-0050-03 Investigation on the Key Techniques and Applications of Cognitive Radio LIU Yuan①, PENG Duan②，CHEN Chu① (① College of Information Engineering, Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006, China; ② Department of Experiment Education, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China） 【Abstract】Cognitive radio is a new intelligent radio technique, it can provide large capacity services for users by dynamic spectrum access, improve the ineffective utilization of spectrum in existence. This paper starts with the concept of cognitive radio, focuses on the key techniques, such as spectrum detection, spectrum management and power control, as well as the applications of cognitive radio in ultra-wide-band, Mesh network and wireless area network. Finally it discusses the possible problems of cognitive radio which need to be paid attention to in its future development. 【Key words】cognitive radio; spectrum detection; spectrum management; power control 0 引言 无线通信频谱是一种有限的宝贵资源，目前主要是由国家统一管理、统一授权使用。每一个无线通信系统独立地使用一个频段，以使各个不同的系统互不干扰。这种授权的、静态（固定）的频谱分配方式可以有效地避免系统间的干扰。但是，随着无线通信业务和需求的快速增长，频谱资源的缺乏日益严重，美国联邦通信委员会（FCC）研究报告指出频谱的使用情况极不平衡：一些频带大部分时间没有用户使用，另一些频带只是偶尔使用，而剩余频带的使用则竞争很激烈[1]。因此，在各地区、各时间段里充分利用空闲的频带，提高频带的利用率，成为人们非常关注的问题。 1999年，J.Mitola博士提出了认知无线电（CR）的概念。认知无线电是一种智能的无线通信技术，它能够连续不断地感知周围的通信环境，通过对环境信息的分析、理解和判断，然后通过无线电知识描述语言（RKRL）自适应地调整其内部的通信参数（如发射功率、工作频率、编码方式等）以适应环境的变化。其核心思想是通过检测哪些频谱处于空闲状态，在不影响授权用户的前提下智能地选择和利用这些空闲频谱，从而提高频谱的利用率。 1 CR的关键技术 1.1 频谱检测 频谱空洞是指分配给授权用户但在一定的时间和具体的位置该授权用户没有使用的频谱。如果将待检测的频谱分成三种情况：黑色区域，常被高能量的局部干扰所占用；灰色区域，有部分时间被低能量干扰所占用；白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰占用。一般情况下，白色区域和有限度的灰色区域可被等待的用户所使用。频谱检测的任务就是寻找合适的频谱空洞并反馈至发送端进行频谱管理和功率控制。 在CR系统中，频谱检测不仅对频谱空洞的检测起决定作用，同时也对频谱状态进行监测。典型的频谱检测技术有两种：一种是基于发射机的能量检测，另一种是基于接收机 收稿日期：2007-04-26。 基金项目：广州市应用基础研究项目（2006JI-C0331）。 作者简介：刘 元（1984–），男，硕士研究生，研究方向为宽带移动通信系统；彭 端（1963–），男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事宽带移动通信系统与网络研究工作；陈 楚，男，硕士研究生，主要研究方向为宽带移动通信系统技术。 50
认知无线电研究背景意义与现状
认知无线电研究背景意义与现状 1 认知无线电的产生背景 2 认知无线电的产生 3 认知无线电技术的国内外研究现状 4 认知无线电频谱感知技术的研究意义 5 认知无线电技术研究的主要任务 1 认知无线电的产生背景 随着无线通信技术的飞速发展，无线用户的数量急剧增加，可用频谱资源变得越来越稀缺。当今绝大多数频谱资源都是采用固定的分配模式，由专门的频率管理部门分配给特定的授权用户使用。而对于另外一些非授权用户的通信需求，如无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、无线个域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)等，由于其近几年发展迅速，导致这些网络所工作的非授权频段逐渐趋向饱和。据美国研究结果指出，现有的频谱管理与分配策略是造成频谱资源紧缺的重要原因之一，导致某些网络频谱资源相对较少但其承载的业务量很大，而相当多的已授权的频谱并没得到充分的使用。美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)在2002年出版的报告中指出，已分配的频谱利用率为15％～85％，已经分配的3G Hz以下的频谱资源中多达70％未被充分利用。一项中国移动的研究表明，大多数频段利用率不到5%，密集城区一周频段占用度的测试结果显示，占用度较高的频率主要集中 410-954MHz频段，GSM下行频段占用度最高，广播频段、集群系统下行和ISM 频段次之，其他频段的占用度则极低。其中GSM频段资源块的占用度明显高于广播频段。GSM频段占用度大于0.1的资源块约占总数的62%，广播频段占用度大于0.1的约8%。