作者:田峰 程世倫 楊震  摘要：802.22工作組的主要任務是開發和建立一套基于認知無線電(CR)技術，在現有電視頻段利用暫時空閑的頻道進行無線通信的區域網空中接口標準。由于基于802.22協議的無線區域網(WRAN)工作在現有電視頻段中，要求不能對正在廣播的電視頻道產生干擾，所以WRAN采用了認知無線電技術，對電視頻段進行感知和測量，利用動態頻譜治理技術找到空閑頻道進行再分配。認知無線電技術將是未來無線通信的發展方向之一。本講座將分3期對無線區域網和認知無線電技術進行介紹，第1講介紹無線區域網絡和IEEE802.22工作組情況，包括WRAN背景、802.22系統、802.22空中接口等；第2講介紹認知無線電技術和實現其的基礎軟件無線電(SDR)技術，包括無線電知識描述語言(RKRL)和認知循環、無線電頻譜禮儀等；第3講介紹802.22WRAN頻譜共存問題和認知無線電技術的應用。

    基金項目：教育部重點科技項目(206055)

    2.認知無線電

    無線區域網(WRAN)工作在現有電視頻段中，采用動態頻譜治理技術，實現與現有電視系統的頻譜共享，最大限度地提高頻譜利用率。認知無線電(CR)是實現WRAN的要害，而且被普遍認為是解決目前無線頻譜利用率低問題的最佳方案。雖然認知無線電技術的發展剛剛起步，然而，放眼未來，可以認為它極具潛力。認知無線電可以在提高無線頻譜使用效率、改善無線通信系統性能等方面發揮重要作用，并且隨著人工智能和信號處理技術的不斷發展，認知無線電將會使得無線通信系統更加智能化，將對人類社會未來的通信發展產生不可估量的影響。

    2.1認知無線電目前的研究現狀

    認知無線電(Cognitive Radio)這個術語首先是Joseph Mitola在軟件無線電概念的基礎上提出的。1999年Mitola在他的博士論文中描述了一個認知無線電系統，通過無線知識描述語言(RKRL)來加強個人無線服務的靈活性，對認知無線電進行擴展，并給出了令人感愛好的跨學科的認知無線電的概念總結。

    美國聯邦通信委員會(FCC)2002年發布的頻譜政策非凡工作組(SPTF)報告，對頻譜資源的使用政策具有深遠的影響。報告設定了認知無線電工作組，并于2003年5月在華盛頓成立，隨后在2004年3月在美國拉斯維加斯召開了一個認知無線電的學術會議，標志著認知無線電技術正式起步。

    學術界也行動起來，聞名通信理論專家Simon Hakin在2005年2月JSAC in Communications上發表了關于認知無線電的綜述性文章“Cognitive radio: brain-empowered wireless communications”，開始了國際性的認知無線電技術研究。隨后Berkeley、Virginia、Stevens等大學研究所和軟件無線電(SDR)論壇等研究組織紛紛展開研究，Rutgers大學Winlab實驗室還進行了認知無線電平臺的開發。

    美國國防部(DARPA)的XG計劃將研制以認知無線電為核心的系統方法和要害技術，以實現動態頻譜接入和共享。XG稱其論證的頻譜效率可使目前的頻譜利用率提高10～20倍。圖5為XG計劃的動態頻譜利用圖。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia等公司也已經開始著手進行認知無線電系統技術的研究。

    認知無線電的目的在于提高頻譜利用率。但這不僅是個技術問題，由于要從根本上改變過去的無線電資源分配狀態，因此要想實現認知無線電，除技術開發之外，還必須有政府法規上的支持。美國2004年5月頒布建議制訂規則通告(NPRM)，答應在不影響授權用戶(如電視接收者)的前提下，通過基于認知無線電的技術使用電視廣播頻段中的未授權的無線資源，放寬了認知無線電實用化的限制。日本也已公布將于2005年開始探討該技術。歐洲的德國、英國、意大利、瑞典等目前都有相關機構在研究認知無線電。

    認知無線電有多種不同的定義和概念模型以及不同的體系架構。Berkeley大學提出的一種認知無線電網絡層次結構如圖6所示，考慮了結構底下兩層與普通的開放系統互連(OSI)模型的不同之處。該模型只考慮了波形感知、頻譜感知、網絡感知、狀態感知，沒有考慮到地理位置感知、本地可用業務感知、用戶需求感知、語言感知?？偟膩碚f，認知無線電是一個智能的無線通信系統，目前對它的研究主要集中在物理層和媒體訪問控制(MAC)層。認知無線電能感知四周無線環境，通過對環境的理解、主動學習以實現在特定的無線操作參數上(如功率、載波調制和編碼等方案)實時改變和調整內部狀態，適應外部無線環境的變化，達到通信系統性能最優化的目的。認知無線電具有在不影響其他授權用戶的前提下智能地利用大量空閑頻譜并且隨時隨地提高可靠性的通信的潛能。信號處理，人工智能、軟件無線電、頻率捷變、功率控制等技術的迅猛發展，為認知無線電實現上述非凡性能提供了條件。

    近兩年國際上召開了兩個重要的有關認知無線電技術和動態信道分配的會議，分別是：2004年10月份在Washington召開的“Cognitive Radios Conference”，會議的主要議題包括：緊急的商業和軍事需求和機會，對于認知無線電的頻譜政策——軍事和商業要求，從軟件定義的無線電發展到認知無線電，用于自適應頻譜治理的工具和技術，子系統的研發：智能天線、傳感器和接收機，自適應調制和波形技術；2005年11月份召開的動態頻譜接入(DySPAN)會議，會議的主要議題是基于認知無線電的動態頻譜分配和接入技術，會議發表了80多篇文章。

    2.2認知無線電的基本功能

    從認知無線電的定義中，我們不難發現6個要害字眼：感知、智能、學習、自適應性、可靠性、效率。認知無線電的感知能力涵蓋了很多方面，包括波形感知、頻譜感知、網絡感知、地理位置感知、本地可用業務感知、用戶需求感知、語言感知、狀態感知、安全策略感知等等，其中頻譜感知是目前人們最為關注的方面。認知無線電最大的特點在于智能性，也是它與普通軟件定義無線電最大的不同。認知無線電是一個目標驅動的框架結構，對于事件響應都按照計劃、決定、實施的順序執行。

    認知無線電可以自動觀察無線電環境、分析信息內容、評估選擇、產生計劃、監控服務，通過基于模型的推理來獲得特定能力。認知無線電還能夠從錯誤中進行學習，包括一些有指導和無指導的機械學習形式。這種觀察、思考、行動的循環的工作過程不同于今天的手機——只能在用戶設定的頻率上交換數據和執行網絡的指令。

    因此，認知無線電不僅需要具備可編程性的軟件無線電平臺，還要包括強健的計算機模型、用戶模型、網絡模型和射頻傳輸環境。

    一般來說認知無線電系統必須具備以下基本功能：

    (1)對無線環境的場景分析，包括空間電磁環境中干擾溫度的估計和頻譜空穴的檢測。

    (2)信道狀態估計及其容量猜測，主要有信道狀態信息的估計、信道容量的猜測。

    (3)功率控制和動態頻譜治理。

    認知無線電通過空間的射頻激勵來分析電磁環境，尋找滿足干擾溫度(IT)要求的頻段，假如該頻段的信道狀況能滿足通信所要達到的要求條件，則向網絡發送無線資源分配的請求，在獲取資源后，就開始啟動通信過程。

    通信過程中，避免對正在使用信道的法定授權用戶，即主用戶(PU)，的干擾是對認知無線電技術最基本的要求。作為次級用戶(SU)只能利用PU未使用的頻段，一旦發現主用戶要使用該頻段時，認知無線電要在規定的時間內讓出該頻段而切換到其他未使用的空白頻段，這樣既避免了對主用戶產生干擾，也不會中斷認知無線電的通信過程。但認知無線電也要避免過于頻繁地切換頻段，因為頻繁地切換頻段會導致次級用戶的服務質量(QoS)得不到保證，也降低了頻譜的利用率。另外通過引入人工智能、信號處理等技術，未來認知無線電的應用將不僅僅是單純的頻譜檢測，可能會擴展到整個系統性能的感知，將使得未來無線通信系統更加智能化、人性化。

    2.3基于RKRL語言和SDR平臺的認知無線電

    軟件無線電(SDR)是一種多波段多模式個人通信系統平臺，其通過射頻帶寬、空氣介面、協議、空間和實時模式的靈活變化來緩解無線頻譜的緊缺狀況。認知無線電通過在無線域建模來擴展軟件無線電的功能，通過無線知識描述語言(RKRL)來加強個人服務的靈活性。RKRL描述的內容包括了無線方式、設備、軟件模塊、傳輸、網絡、用戶需求和根據用戶的需求而自動配置的應用方式。RKRL語言可以在軟件無線電平臺上實現，這樣的平臺將無線節點從僅僅執行事先確定好的協議轉變成無線域的智能代理，實現了原先固定功能和通信模式的系統轉變成為智能通信系統的變革。

    通過RKRL，認知無線電系統知道高級語言配置均衡器接口和接口線路延遲結構的具體參數。均衡器接口和接口線路延遲結構采用特定應用集成電路(ASIC)、現場可編程陣列(FPGA)或者某種軟件無線電算法實現。認知無線電有自己的內部構架模型，如圖7所示，能夠通過相應的模式解決出現的問題。

    軟件無線電平臺硬件包括天線、無線射頻轉換模塊、調制解調器和圖7中所示基帶處理器、用戶接口等硬件模塊?；鶐幚砥靼ɑ鶐д{制解調器和一個終端控制協議棧，此外還包括一個感知裝置和一個算法模塊。算法模塊包含用來描述無線電本身的RKRL結構、均衡器以及其中的所有的本體，用RKRL來寫，即以軟件來替代硬件功能。

    實現上述功能，高端內存、計算算法和通信的帶寬對認知無線電都是必需的。根據外部環境變化調整通信系統的配置不會花很長的時間，一般認知無線電也不需要人來干涉它的工作過程。假如要對認知無線電進行干涉，主要目的也是為了保證無線電網絡的穩定性。很顯然，這種認知無線電網絡是復雜的自適應系統，具有適應外界環境變化的能力。

    2.4無線電表述語言

    除了自然語言，還有幾種計算機語言能夠表達相關的無線電知識。但是，大多數的無線電語言如規范描述語言(SDL)、統一建模語言(UML)、接口定義語言(IDL)等都是用于描述的計算機語言，缺乏準確性和靈活性。

    在認知無線電的研究中，如何表達外部世界的信息始終是一個重要的研究課題。RKRL是瑞典皇家科學院(KTH)專為認知無線電開發的一套語言，是用來描述整個事件知識、計劃和需求的語言。它所包括的知識問詢和操作語言(KQML)就是為了使內部知識的交換變得更加方便。使用KQML，移動節點和網絡可以分享預期頻譜需求的計劃，可以有效地識別和租用頻譜。

    RKRL提供了一種標準的能夠對隨機的數據交換進行動態定義的語言。RKRL的每個部分根據規則的模式和描述語言的基礎來構成，其能力來自于感知循環中的模式匹配、計劃產生能力，由相關的推理引擎來調整。RKRL包括語法和本體信息。RKRL涉及的范圍包括規則的模式、語言定義、推論模式、多語法和無線的本體。

    RKRL是一種并行對象語言，通過基于模式的推理綜合了各種語言的特點。通過RKRL這種標準語言，可動態定義認知無線電系統突發的數據變換，其代理可以快速地通過操作相關協議使無線規則更好地滿足用戶需求，增強了系統的靈活性和反應能力。

    2.5認知無線電規則

    既然認知無線電能夠主動自由地選擇射頻信道、空中接口、協議架構以及為了和其他用戶競爭的服務價格，從某些方面來說它和棋類游戲是類似的。網絡可以協調這種游戲規則，許多研究人員采用博弈論來進行信道頻譜分配和功率控制，未來在一些頻段認知無線電系統可以完全和其他系統競爭達到無線電資源均衡利用。進行這個游戲的平臺是無線射頻頻段的各種無線頻譜、空中接口、智能天線、實時模式以及基礎設施和手機等，RKRL提供了描述這種游戲平臺的語言，能很好的表述這個游戲的平臺和合法使用認知無線電。

    2.6認知循環

    認知無線電是建立在軟件無線電平臺之上的一個智能無線通信系統，它能夠感知外部環境、使用邊了解邊累積的方法對外部環境進行學習，并根據外部環境提供的激勵，對運行參數(如傳輸功率、載波頻率、調制方式等)進行相應的修改，從而達到內部狀態的自適應調整。其主要目的就是提高無線通信的可靠性和提高無線頻譜資源的使用效率。

    認知無線電系統感知學習循環的完整過程如圖8所示。圖8中，外部世界提供激勵，認知無線電對這些激勵進行處理和分析，從而提取有益于提高其系統性能的相關信息。比如，它可以通過分析全球定位系統參數，或者加上亮度以及溫度決定通信環境是在室內還是室外等等。這種處理發生在認知循環的觀察階段，對引入和發出的信息進行分析來獲得容量情況，包括分配給用戶或是用戶所需要提供的容量。有時候這需要必要的前后相關信息來推測通信的突發性以及相關的內在通信任務?；谏鲜鲂畔ⅲJ知無線電系統進行通信資源的規劃分配，做出決策，啟動接入控制過程，開始通信，并基于信息和學習規則調整通信系統狀態以達到最優性能，然后再開始下一輪感知(觀察)，這是一個循環過程。

    2.7認知無線電禮儀

    認知無線電能進行有序地工作是因為它有一整套來規范行為的無線電禮儀規則，這是一組由射頻頻段、空中接口、協議、空時模型以及為緩解頻譜使用緊張而制訂的高層協商規則所組成的規范模式。頻譜租用程序、用戶優先級策略和無線電知識描述語言等都為頻譜的統籌規范使用提供了保障，為實現認知無線電的頻譜共享提供規范。認知無線電禮儀協議在頻譜有效和混亂之間進行權衡，使得所有的應急服務、政府、個人和商業用戶可以主動或被動地共享該協議的成果。

    頻譜租用程序是一種類似于握手協議的協商程序。頻譜出租者首先發送出租頻譜的信號，里面包含一些諸如頻率、帶寬、可以使用的時間段以及價格等相關信息；租用者在收到信號后，給對方發送意向信號，里面列舉了自己所希望達到的要求；雙方經協商后，最后達成一致，從而完成一個簡單的頻譜租用程序。同理，也可以反過來，由租用者事先發出頻譜需求信息。

    用戶優先級策略是為了提高頻譜治理的高效性和保障社會通信的有序性。應急服務、政府部門、商業客戶及個體用戶等各種用戶應該具有不同的優先級。例如應該首先考慮警方、消防和醫療急救等社會緊急事務，把他們的優先級設定為最高?，F有的頻譜分配特征確定了默認的頻譜使用優先級。通過頻譜治理者的授權可以改變全局或局部的優先級。這個協議答應分配一個用戶、一個頻道或者一個有非凡優先級(用戶、時間、空間、頻率)的組合。

    認知無線電為人性化服務提供了巨大的潛能，但是頻譜共享禮儀規則的制訂十分耗費人力。部分原因是由于沒有統一的表示無線電知識的方式，限制了認知無線電對網絡和用戶的響應。RKRL可能會有助于更好地提高該過程的自動化。

    2.8無線認知網絡

    隨著認知無線電的發展和深入研究，Motorola及Virginia Tech等公司提出了無線認知網絡的概念，他們認為無線認知網絡是一種具有認知能力的網絡，能夠感知網絡當前的狀況，并根據當前的狀況來計劃、決定并行動，也就是說可以自我配置來響應和動態自適應操作和環境的改變。自我配置的主要功能組成是自我意識和自動學習，通過具有網絡意識的中間件和網絡各組成部分分布式交叉來實現。無線認知網絡能最大化操作者的能力。認知無線電作為節點構成智能的認知無線網絡，是網絡的核心。

    綜上所述，無論對于民用和軍事應用，認知無線電將使無線通信產生巨大變化的潛力被非?？春?。毫無疑問，認知無線電技術將是未來無線通信的發展方向之一。(待續)

    作者簡介：

    田峰，南京郵電大學信號與信息處理專業在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網絡信號處理。

    程世倫，南京郵電大學信號與信息處理專業在讀博士研究生，研究方向為無線通信與網絡信號處理。

    楊震，南京郵電大學校長、教授、博士生導師，主要研究方向為無線通信與網絡信號處理、語音處理與現代語音通信技術、信息安全技術。（張翀編輯）