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【摘 要】分析了认知无线电涉及的关键技术，指出了开展认知无线电技术研究的重要意义。
【关键词】认知无线电；软件无线电；性能评估；军事应用；关键技术
1.引言
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[1]。在需求牵引和技术推动的作用下，认知无线电技术应运而生。认知无线电（Cognitive Radio， CR）[2-5]的概念最早是由瑞典Joseph Mitola博士于1999年提出的，是对软件无线电（SDR）功能的进一步扩展。认知无线电理论上允许在时间、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[1]。本文分析了认知无线电的关键技术问题，以期为技术人员启迪新思维、开展创新攻关提供理论基础和技术知识。
2.认知无线电的概念与基本特征
2.1 认知无线电的概念[6]
对于认知无线电的解释，较有代表的是Mitola、FCC、ITU- WP8A、John Notor等组织或个人对认知无线电给出的定义。
Mitola认为，认知无线电可保证个人无线数字助理（PDAs）和相关网络智能地侦测用户的通信需求并为这些需求提供最适合的无线电资源，作为软件无线电的一种，它结合了应用软件、界面和认知等功能。
FCC定义认知无线电是一种可通过与其运行环境交互而改变其发射机参数的无线电。该定义目前大家比较认同。
ITU WP8A定义认知无线电为这样的无线电或系统，它可感知或了解其操作的环境从而动态、自治地调整其操作参数。
John Notor认为软件无线电（Software Defined Radio，SDR）不是CR实现的必然条件，CR也不是SDR的发展，它们之间是重叠关系。
概括来说，认知无线电具有检测（sensing）、适应、学习、机器推理、最优化、多任务以及并发处理/应用的性能。
2.2 认知无线电的基本特征
由以上叙述和介绍可知，认知无线电具备以下两个基本特征[8]：
（1）认知能力
认知能力使认知无线电能够从其工作的无线环境中捕获着感知信息，从而可以标识特定时间和空间内未使用的频谱资源（频谱空穴），并选择最适当的频谱和工作参数。根据瑞典皇家科学院（KTH）使用的认知循环，这一任务主要包括频谱感知、频谱分析和频谱判定3个步骤。频谱感知的主要功能是监测可用频段、检测频谱空穴；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空穴特性；频谱判定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
重构能力使得认知无线电设备可以根据无线环境动态编程，从而允许认知无线电设备采用不用的无线传输技术收发数据。在不对频谱授权用户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，这是重构的核心思想。当该频段被授权用户使用时，认知无线电有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段进行通信；二是继续使用该频段，但改变发射功率或者调制方案，以避免对授权用户造成有害干扰。
3.认知无线电的性能评估[6]
认知无线电的性能可从系统的服务质量（QoS）、主要用户的侦测、软件无线电平台、定位、主要用户的QoS等几个方面进行评估。
系统的QoS参数如数据吞吐量、音频质量、视频质量等受到物理层误码率（BER）、信干比（SIR）、信号与干扰和噪声比（SINR）、接收信号强度以及MAC、网络层中的帧出错率、包出错率、路由表转换速率等决定。
主要用户的侦测主要考虑侦测概率以及错误报警的概率，它们均为观察对象个数、信噪比（SNR）、现有信号的数目（主要及次要）、协作水平的函数。
软件无线电平台由平台可支持波形的数目、处理功率、波形编码的重用性和轻便性（重用性是指同一编码原理可用于不同的SDR平台；轻便性指可即插即用）、装载卸载波形的时延、RF前端（频率范围、动态范围、采样频率、敏感度、选择性、稳定性、欺骗响应等）、功率损耗、尺寸、重量、花费等决定。
认知无线电发射机通过定位技术来确定自己和其它发射机的位置，以便于之后在允許的位置上选择合适的工作参数（功率、频率等），因此定位要求精确且有效。
当主要用户出现时其它用户必须将信道让出，所以主要用户的QoS对整个系统的影响十分显著。当SINR减少并且BER、FER增加时会导致数据吞吐量、音频质量、视频质量的下降以及呼叫掉线比率和交接失败率增加（对于蜂窝手机网络的情况）。
4.认知无线电的关键技术
认知无线电的网络结构有集中式、分布式和集中+分布式3种类型，它通过频谱自适应技术来实现动态频谱分配[7]。根据认知无线电系统必须具备的基本功能，如何实现这些功能也就成为认知无线电的关键技术[9]。
4.1 频谱检测技术
目前，对频谱检测技术的研究主要包含两方面：一是单点频谱检测技术，根据单个认知无线电节点接收的信号，检测其所处无线环境的频率占用情况；二是多点协同频谱检测技术，即把多个节点的频谱检测结果进行合并，以提高检测正确率，并降低单节点的性能要求。
4.2 自适应频谱资源分配技术
为了解决目前频谱资源日益紧张和固定分配频谱利用率较低的矛盾，就要找到更有效的方法来充分感知和利用无线频谱资源。基本途径有两条：其一，提高频谱利用率，充分利用已授权用户的频谱资源，减少浪费；其二，提高系统通信效率，综合优化分配已获得的频率资源和其它资源，进而提高利用率。
正交频分复用（OFDM）技术是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式。该方式可以通过频率的组合或裁减实现频谱资源的充分利用，可以灵活控制和和分配频谱、时间、功率、空间等资源。自适应频谱资源分配的关键技术主要有载波分配技术和子载波分配技术。 4.3动态频谱管理技术[6]
动态频谱管理（DSM）又称为动态频谱分配，主要在发射端执行。简单说来，频谱管理的主要目的是通过一个自适应策略有效地（高效率以及可实施）利用RF频谱。特别的，频谱管理算法设计要求以无线场景分析者对频谱空穴的侦察以及发射功率控制者输出为基础，选择个适应无线环境时间变化特征的调制模式，这里假设整个时间内信道可用。
利用动态频谱管理（DSM）可以提高无线通信的灵活性、信道使用能量，可使主要用户和次要用户之间避免冲突并公平共存频谱。
DSM包括可用频谱的辨认与描述，频谱可用性的持续时间以及频谱分配（监督），其中频谱分配（监督）是指根据需要接入到频谱的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定节点。DSM必须考虑目标节点可能的接收能力并提供源节点到目标节点的调整。动态频谱管理流程图如图1所示。
图1 动态频谱管理流程图
4.4位置感知技术[10]
不同的地理环境对无线电信号的传输会产生不同的影响。比如，室内与室外、市区与乡村、山区与平原相比，后者就更适合无线电信号的传输。CR与全球定位系统（GPS）以及地理信息系统（Geography Information System， GIS）结合，通过自我学习的方法，能够识别出自身所处的地理位置，进而能根据地理环境选择合适的发送频率、调制方式等参数。比如，在市区内，由于电磁环境复杂，多径衰落较大，可以采用抗多径衰落较好的OFDM调制。在乡村，由于电磁环境优良，可以采用较大的功率，传输更远的距离。
4.5 链路保持技术[10]
一旦授权用户要再次通信，CR必须要在最短的时间内腾出正在适用的频率，并且还要保证自己的通信不被中断，这就是所谓的CR链路保持技术。有研究人员指出，可以采用LT（Luby Transform）编码技术来实现链路保持。通过增加链路的冗余，进而达到数据的冗余。在不同的电磁环境下，链路的最佳冗余数是不同的，但并非冗余越多，链路可靠性就越高。
4.6物理层安全技术[11]
从体系结构来看，认知无线电是软件无线电的扩展，是一个信号带宽较宽，A/D/A采样率和精度要求高，运算速度快，系统安全要求高的软件化实时性系统。认知无线电系统是机会方式接入主用户频段，易对主用户产生干扰，所以频谱感知必须具有很强的弱信号检测能力，用来检测主用户信号，以便切换信道，避免干扰。而这同时使得认知无线电较其他无线电系统更易受到干扰和攻击，即所谓的“模仿主用户攻击（PUE，Primary User Emulation）”，系统设计时必须予以重视。
跳频通信系统具有较强的抗干扰、抗衰落的能力，是解决无线通信窄带干扰问题的重要手段。而且，因为跳频频率合成器容易在一定的频率范围内进行跳频，因此跳频频率可以占用不同的频段，而不要求频率是相联的，故而跳频系统容许更高的扩频频段。并且可以很好地与认知无线电体系相融合。所以在认知无线电体系中引入跳频通信机制，可以很好地解决窄带的PUE攻击。跳频技术的引入从物理层为认知无线电系统提供了一定的安全保证。
4.7 其它关键技术
除上述技术外，关于认知无线电系统的安全、可靠链路的维护以及定价策略、机器学习技术、功率控制技术、数字波束形成技术、自适应调制解调技术、软件无线电升级技术、信道估计技术、数字信号处理等诸多先进技术的研究也是其重要的关键技术[10]，已逐渐成为人们的研究热点。鉴于这些技术属于共性技术，本文在此不再赘述。
5.结束语
认知无线电为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾开辟一条行之有效的解决途径，并给无线通信带来了新的发展空间。然而，认知无线电从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术需要突破。
参考文献：
[1] 郭彩丽，张天魁，曾志民，等.认知无线电关键技术及应用的研究现状[J].电信科学，2006（8）：50-55..
[2] Joseph Mitola，Maquire G Q Jr.Cognitive Radio：Making Software Radios More Personal[J].IEEE Personal Communications， 1999，6（4）：13-18.
[3] Joseph Mitola. Cognitive Radio-An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[D].Royal Inst.Technol.（KTH），Stockholm，Sweden，20000.
[4] Joseph Mitola. Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[J].Mobile Networks and Applications， 2001， 6（5）： 435-441.
[5] Joseph Mitola.Cognitive radio： agent-based control of software radio[C]//Proceedings of the 1st KarlCRuhe Workshop on Software Radio Technology.Karlsrhe，Germany，2000.
[6] 周賢伟，孟 潭，刘志强，等.认知无线电研究综述.电讯技术，2006，46（6）.
[7] 李冀.认知无线电技术及其军事应用.现代军事，2008，（2）：59-61.
[8] 叶佩军，安建平.认知无线电在未来多媒体移动通信中的应用[J].电讯技术，2004，44（2）：25-29..
[9] 畅志贤，石明卫.认知无线电技术综述[J].电视技术，2007，31（8）：132-133.
[10 ]赵陆文，周志杰，缪志敏，等.浅析认知无线电在军事通信中的应用.无线通信技术，2007，（4）：31-35.
[11] 周贤伟 ， 王义江 ， 王丽娜. 认知无线电物理层安全研究[J]. 电讯技术 ，2008，48（6）.
【关键词】认知无线电；软件无线电；性能评估；军事应用；关键技术
1.引言
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[1]。在需求牵引和技术推动的作用下，认知无线电技术应运而生。认知无线电（Cognitive Radio， CR）[2-5]的概念最早是由瑞典Joseph Mitola博士于1999年提出的，是对软件无线电（SDR）功能的进一步扩展。认知无线电理论上允许在时间、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[1]。本文分析了认知无线电的关键技术问题，以期为技术人员启迪新思维、开展创新攻关提供理论基础和技术知识。
2.认知无线电的概念与基本特征
2.1 认知无线电的概念[6]
对于认知无线电的解释，较有代表的是Mitola、FCC、ITU- WP8A、John Notor等组织或个人对认知无线电给出的定义。
Mitola认为，认知无线电可保证个人无线数字助理（PDAs）和相关网络智能地侦测用户的通信需求并为这些需求提供最适合的无线电资源，作为软件无线电的一种，它结合了应用软件、界面和认知等功能。
FCC定义认知无线电是一种可通过与其运行环境交互而改变其发射机参数的无线电。该定义目前大家比较认同。
ITU WP8A定义认知无线电为这样的无线电或系统，它可感知或了解其操作的环境从而动态、自治地调整其操作参数。
John Notor认为软件无线电（Software Defined Radio，SDR）不是CR实现的必然条件，CR也不是SDR的发展，它们之间是重叠关系。
概括来说，认知无线电具有检测（sensing）、适应、学习、机器推理、最优化、多任务以及并发处理/应用的性能。
2.2 认知无线电的基本特征
由以上叙述和介绍可知，认知无线电具备以下两个基本特征[8]：
（1）认知能力
认知能力使认知无线电能够从其工作的无线环境中捕获着感知信息，从而可以标识特定时间和空间内未使用的频谱资源（频谱空穴），并选择最适当的频谱和工作参数。根据瑞典皇家科学院（KTH）使用的认知循环，这一任务主要包括频谱感知、频谱分析和频谱判定3个步骤。频谱感知的主要功能是监测可用频段、检测频谱空穴；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空穴特性；频谱判定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
重构能力使得认知无线电设备可以根据无线环境动态编程，从而允许认知无线电设备采用不用的无线传输技术收发数据。在不对频谱授权用户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，这是重构的核心思想。当该频段被授权用户使用时，认知无线电有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段进行通信；二是继续使用该频段，但改变发射功率或者调制方案，以避免对授权用户造成有害干扰。
3.认知无线电的性能评估[6]
认知无线电的性能可从系统的服务质量（QoS）、主要用户的侦测、软件无线电平台、定位、主要用户的QoS等几个方面进行评估。
系统的QoS参数如数据吞吐量、音频质量、视频质量等受到物理层误码率（BER）、信干比（SIR）、信号与干扰和噪声比（SINR）、接收信号强度以及MAC、网络层中的帧出错率、包出错率、路由表转换速率等决定。
主要用户的侦测主要考虑侦测概率以及错误报警的概率，它们均为观察对象个数、信噪比（SNR）、现有信号的数目（主要及次要）、协作水平的函数。
软件无线电平台由平台可支持波形的数目、处理功率、波形编码的重用性和轻便性（重用性是指同一编码原理可用于不同的SDR平台；轻便性指可即插即用）、装载卸载波形的时延、RF前端（频率范围、动态范围、采样频率、敏感度、选择性、稳定性、欺骗响应等）、功率损耗、尺寸、重量、花费等决定。
认知无线电发射机通过定位技术来确定自己和其它发射机的位置，以便于之后在允許的位置上选择合适的工作参数（功率、频率等），因此定位要求精确且有效。
当主要用户出现时其它用户必须将信道让出，所以主要用户的QoS对整个系统的影响十分显著。当SINR减少并且BER、FER增加时会导致数据吞吐量、音频质量、视频质量的下降以及呼叫掉线比率和交接失败率增加（对于蜂窝手机网络的情况）。
4.认知无线电的关键技术
认知无线电的网络结构有集中式、分布式和集中+分布式3种类型，它通过频谱自适应技术来实现动态频谱分配[7]。根据认知无线电系统必须具备的基本功能，如何实现这些功能也就成为认知无线电的关键技术[9]。
4.1 频谱检测技术
目前，对频谱检测技术的研究主要包含两方面：一是单点频谱检测技术，根据单个认知无线电节点接收的信号，检测其所处无线环境的频率占用情况；二是多点协同频谱检测技术，即把多个节点的频谱检测结果进行合并，以提高检测正确率，并降低单节点的性能要求。
4.2 自适应频谱资源分配技术
为了解决目前频谱资源日益紧张和固定分配频谱利用率较低的矛盾，就要找到更有效的方法来充分感知和利用无线频谱资源。基本途径有两条：其一，提高频谱利用率，充分利用已授权用户的频谱资源，减少浪费；其二，提高系统通信效率，综合优化分配已获得的频率资源和其它资源，进而提高利用率。
正交频分复用（OFDM）技术是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式。该方式可以通过频率的组合或裁减实现频谱资源的充分利用，可以灵活控制和和分配频谱、时间、功率、空间等资源。自适应频谱资源分配的关键技术主要有载波分配技术和子载波分配技术。 4.3动态频谱管理技术[6]
动态频谱管理（DSM）又称为动态频谱分配，主要在发射端执行。简单说来，频谱管理的主要目的是通过一个自适应策略有效地（高效率以及可实施）利用RF频谱。特别的，频谱管理算法设计要求以无线场景分析者对频谱空穴的侦察以及发射功率控制者输出为基础，选择个适应无线环境时间变化特征的调制模式，这里假设整个时间内信道可用。
利用动态频谱管理（DSM）可以提高无线通信的灵活性、信道使用能量，可使主要用户和次要用户之间避免冲突并公平共存频谱。
DSM包括可用频谱的辨认与描述，频谱可用性的持续时间以及频谱分配（监督），其中频谱分配（监督）是指根据需要接入到频谱的节点数目及其服务要求将频谱分配给一个或多个指定节点。DSM必须考虑目标节点可能的接收能力并提供源节点到目标节点的调整。动态频谱管理流程图如图1所示。
图1 动态频谱管理流程图
4.4位置感知技术[10]
不同的地理环境对无线电信号的传输会产生不同的影响。比如，室内与室外、市区与乡村、山区与平原相比，后者就更适合无线电信号的传输。CR与全球定位系统（GPS）以及地理信息系统（Geography Information System， GIS）结合，通过自我学习的方法，能够识别出自身所处的地理位置，进而能根据地理环境选择合适的发送频率、调制方式等参数。比如，在市区内，由于电磁环境复杂，多径衰落较大，可以采用抗多径衰落较好的OFDM调制。在乡村，由于电磁环境优良，可以采用较大的功率，传输更远的距离。
4.5 链路保持技术[10]
一旦授权用户要再次通信，CR必须要在最短的时间内腾出正在适用的频率，并且还要保证自己的通信不被中断，这就是所谓的CR链路保持技术。有研究人员指出，可以采用LT（Luby Transform）编码技术来实现链路保持。通过增加链路的冗余，进而达到数据的冗余。在不同的电磁环境下，链路的最佳冗余数是不同的，但并非冗余越多，链路可靠性就越高。
4.6物理层安全技术[11]
从体系结构来看，认知无线电是软件无线电的扩展，是一个信号带宽较宽，A/D/A采样率和精度要求高，运算速度快，系统安全要求高的软件化实时性系统。认知无线电系统是机会方式接入主用户频段，易对主用户产生干扰，所以频谱感知必须具有很强的弱信号检测能力，用来检测主用户信号，以便切换信道，避免干扰。而这同时使得认知无线电较其他无线电系统更易受到干扰和攻击，即所谓的“模仿主用户攻击（PUE，Primary User Emulation）”，系统设计时必须予以重视。
跳频通信系统具有较强的抗干扰、抗衰落的能力，是解决无线通信窄带干扰问题的重要手段。而且，因为跳频频率合成器容易在一定的频率范围内进行跳频，因此跳频频率可以占用不同的频段，而不要求频率是相联的，故而跳频系统容许更高的扩频频段。并且可以很好地与认知无线电体系相融合。所以在认知无线电体系中引入跳频通信机制，可以很好地解决窄带的PUE攻击。跳频技术的引入从物理层为认知无线电系统提供了一定的安全保证。
4.7 其它关键技术
除上述技术外，关于认知无线电系统的安全、可靠链路的维护以及定价策略、机器学习技术、功率控制技术、数字波束形成技术、自适应调制解调技术、软件无线电升级技术、信道估计技术、数字信号处理等诸多先进技术的研究也是其重要的关键技术[10]，已逐渐成为人们的研究热点。鉴于这些技术属于共性技术，本文在此不再赘述。
5.结束语
认知无线电为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾开辟一条行之有效的解决途径，并给无线通信带来了新的发展空间。然而，认知无线电从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术需要突破。
参考文献：
[1] 郭彩丽，张天魁，曾志民，等.认知无线电关键技术及应用的研究现状[J].电信科学，2006（8）：50-55..
[2] Joseph Mitola，Maquire G Q Jr.Cognitive Radio：Making Software Radios More Personal[J].IEEE Personal Communications， 1999，6（4）：13-18.
[3] Joseph Mitola. Cognitive Radio-An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[D].Royal Inst.Technol.（KTH），Stockholm，Sweden，20000.
[4] Joseph Mitola. Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[J].Mobile Networks and Applications， 2001， 6（5）： 435-441.
[5] Joseph Mitola.Cognitive radio： agent-based control of software radio[C]//Proceedings of the 1st KarlCRuhe Workshop on Software Radio Technology.Karlsrhe，Germany，2000.
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[8] 叶佩军，安建平.认知无线电在未来多媒体移动通信中的应用[J].电讯技术，2004，44（2）：25-29..
[9] 畅志贤，石明卫.认知无线电技术综述[J].电视技术，2007，31（8）：132-133.
[10 ]赵陆文，周志杰，缪志敏，等.浅析认知无线电在军事通信中的应用.无线通信技术，2007，（4）：31-35.
[11] 周贤伟 ， 王义江 ， 王丽娜. 认知无线电物理层安全研究[J]. 电讯技术 ，2008，48（6）.