摘要：认知无线电是在软件无线电的基础上发展而来的能够自适应外界环境变化的无线通信技术。认知无线电的网络结构有3种类型：集中式，分布式和集中＋分布式。它通过频谱自适应技术来实现动态频谱分配，相关技术包括频谱检测技术，信道估计与预测技术、数据传输技术和多天线通信技术。随着认知无线电技术的发展，各国际标准组织和行业联盟纷纷开展相关的研究，并着手制定认知无线电的标准和协议。目前，认知无线电的推广仍面临着政策问题，但其市场需求日益扩大。总而言之，此技术的产业化发展还有很长的路需要走。
Abstract:Cognitive radio is a wireless communications technology that is self-adaptive to environment and is based on the software defined radio. There are three types of cognitive radio architectures: centralized, distributed, and centralized+distributed. Cognitive radio uses spectrum adaptive technology to realize dynamic spectrum allocation, as well as the spectrum testing, channel estimation and prediction, data transmission, and multi-antenna communications technologies. With its development, international standardization organizations and industry alliances start to research and establish standards and protocols for cognitive radio. Nowadays, the popularization still faces policy problem, but the market demand is gradually increasing. In a word there is still a long road for the industry development of cognitive radio.
认知无线电技术是一种由软件无线电技术发展而来的无线通信技术。软件无线电将无线设备中原来由硬件实现的功能改由软件实现，通过改变软件就能改变无线设备的功能。但是功能变化必须由外部进行控制，无线设备自身并不能根据需求主动地改变功能。认知无线电在软件无线电的基础上，增加了这种检测需求并主动改变功能的能力，使无线设备能自动适应外界环境和自身需求的变化。正是这种对外界环境的自适应能力，使得认知无线电成为实现动态频谱分配的一种主流方案。
1 认知无线电的系统架构
认知无线电的网络结构有3种类型：集中式，分布式和集中＋分布式。
德国Karlsruhe大学的Fiedrich Jondral等人开展了频谱池[1]相关技术的研究，他们提出了基于正交频分复用(OFDM)的集中式网络结构。日本的Takeo Fujii和Yasuo Suzuki提出了一种基于Ad hoc的分布式网络结构[2-3]。美国UC Berkley大学的Robert Brodersen等人提出了一种集中＋分布式的网络结构(名为CORVUS)[4]，它可看做集中式与分布式的结合。
选择体系结构是研究认知无线电各项技术的基础，不同体系结构对各项技术有不同的需求。目前Fiedrich Jondral提出的基于OFDM的集中式体系结构已被广泛接受，如IEEE 802.22协议[5]。我们也将基于这个结构进行物理层技术研究。其原因有两点，一是相对于分布式网络结构，集中式网络虽然在组网上不够灵活，但结构简单，能降低各认知无线电节点的复杂度，非常适合于在认知无线电的发展初期采用；二是基于OFDM的多载波方式动态频谱分配(如图1所示)既便于避开正被其它系统使用的频段，又便于利用大小不一的频率空隙，同时还有利于解决频段变动、频谱不连续情况下的数据传输问题。 2 认知无线电的研究内容
2.1认知无线电的研究目标
认知无线电通过频谱自适应技术来实现动态频谱分配，要求无线设备能够感知频谱占用情况，搜索出可利用的空闲频段。在通信过程中，定期进行频谱检测，一旦发现授权系统开始使用该频段，就在要求的时间内释放该频段，并切换到新的空闲频段上继续通信。认知无线电是自适应传输技术的思想在频谱分配领域的推广。自适应传输使无线设备能适应信道状态的变化，认知无线电使无线设备能自适应频谱状态的变化。频谱自适应与传输自适应一起使得无线设备从媒体接入控制(MAC)层以下都能适应环境与需求的变化。
目前，除频谱自适应之外，研究者期望认知无线电还能被赋予更强大的智能处理能力。从低层到高层，要求认知无线电能够检测系统各层的参数与状态，如链路质量、网络拓扑、业务负载、甚至用户需求，并能使无线设备适应这些变化，以提高设备性能。从通信的端到端，在存在重叠覆盖的多种无线电通信环境下，要求认知无线电能够在异构网络间进行选择，实现包括终端、网络和业务在内的端到端重配置，以提高网络性能。作为移动通信领域的长期发展目标之一，认知无线电的这些功能将在今后由简到难、由小范围到大范围地逐步实现。但目前，认知无线电最基本、乃至最重要的任务仍然是频谱自适应，这也是实现其它功能的基础。
2.2 认知无线电的相关技术
2.2.1 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状态；二是多点协作频谱检测技术，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，并降低对单节点的性能要求。
(1) 单点频谱检测技术
由于要求认知无线电系统能检测出任意通信系统的通信信号，传统的已知信号一定的信息检测方法[6]，在认知无线电领域的应用范围很窄。在认知无线电领域中，主要使用不需已知信号的信息单点频谱检测技术，主要有能量检测法和循环平稳检测法两种。
(2) 多点协作频谱检测技术
在移动通信环境下，由于无线环境存在路径损耗、阴影效应和多径效应，仅依靠单个节点检测频谱，不能保证其正确性。在复杂环境中，认知无线电用户受到了阴影效应的影响，只有某些用户能够正确检测频谱。因此，必须合并多个节点的频谱检测结果，通过协作频谱检测来提高频谱检测的正确性[7-11]。
2.2.2 信道估计与预测技术和数据传输技术
目前，对认知无线电的信道估计与预测技术和数据传输技术的研究还比较少，许多关键问题都还未涉及，涉及的文献往往也只考虑了比较简单的情况，没有全面地研究问题。如文献[12]中描述了自适应数据传输的优化问题，但它只研究了单天线OFDM情况下对子载波数据速率及功率进行优化的情况。文献[13]提出了一种子信道和传输功率的分配方案，对自适应传输的其它参数没有涉及。
2.2.3 多天线通信技术
基于多天线的通信技术如多输入多输出(MIMO)技术和天线阵列技术，正在被越来越广泛地使用。MIMO技术是4G移动通信系统的关键技术，它利用空间复用提高传输速率，利用空间分集提高传输可靠性。天线阵列技术通过波束成形增强有用信号并抑制干扰信号，提高了传输可靠性，同时还通过为不同的移动终端赋以不同的波束，利用空间复用提高了系统吞吐量。
认知无线电系统可利用多天线通信技术进行频谱检测、信道估计和数据传输。但目前的文献还很少涉及多天线认知无线电技术[14]，并且没有提出有效方案。
2.3 认知无线电的应用 认知无线电目前还处于发展的初期，很多基础性问题都未解决，因而关于把它应用于现有网络的文献还非常少。文献[15]和文献[16]研究了在GSM与WLAN共存的环境中通过循环平稳频谱检测来共享频率的算法。文献[17]研究了在IEEE 802.11b和IEEE 802.16a共存的情况下进行动态频率选择的性能，IEEE 802.11b能根据子信道的信号强度选择干扰最小的信道进行通信，避免系统间干扰，并提高吞吐量。这些文献只是对认知无线电技术的应用进行了初步研究，对于众多运营商关心的把认知无线电运用于现有网络内部，能带来的性能改善以及需要的关键技术等问题都未给出解答。
2.4 认知无线电的频谱范围
目前，无线通讯使用的无线频谱范围通常在9 kHz～300 MHz，不同通讯部门使用政府授权的不同专用无线频带。
在某些国家，除了6 MHz以上的高频波段外，位于28～5 600 kHz 的频带中大约有2 800 kHz的频带资源使用效率很低，甚至大部分时间处于闲置状态。即使相对拥挤的频段，在一些特殊时间段也基本处于闲置状态。中国的无线频谱使用情况也类似，例如手机和无线互联网服务所使用的专用频带，大量电子设备也利用这些频带来实现短途数据通信，因此在上午10点左右、下午下班的时间段(尤其是道路交通拥堵时)这些频带异常拥堵，而在凌晨3点左右，这些频带几乎处于闲置状态。
3 认知无线电的标准进展及政策
3.1 认知无线电的相关标准
随着认知无线电技术的发展，各国际标准化组织和行业联盟也纷纷开展相关的研究， 并且开始着手制定认知无线电的标准和协议。主要标准组织包括国际电信联盟(ITU)、软件无线电论坛和美国电气电子工程师学会(IEEE)等。
ITU关于认知无线电的研究工作隶属于国际电信联盟无线电通信部(ITU-R) 8A工作组中的软件无线电研究课题。因为软件无线电不足以涵盖认知无线电的所有范畴，所以ITU-R于2006年3月提出一项新的建议，将认知无线电单独作为一个研究课题进行研究，这说明ITU已经充分认识到认知无线电技术在未来通信发展中的重要意义。
2003年8月软件无线电论坛就开始探讨放松当前严格的频谱划分政策的可能性， 研究通过开发新的智能无线电设备从而提高频谱利用效率。该论坛于2004年10月成立了认知无线电工作组，专门开展有关认知无线电技术研究。鉴于软件无线电论坛的特殊任务，该工作组主要致力于开展认知无线电平台的分析和多模式调整功能的研究。
IEEE于2004年11月正式成立IEEE 802.22工作组，这是第一个世界范围的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。802.22工作组的主要任务是开发和建立一套基于认知无线电技术，在现有电视频段利用暂时空闲的频谱进行无线通信的区域网空中接口标准。由于基于802.22协议的无线区域网(WRAN)工作在现有电视频段中，要求不能对正在广播的电视频谱产生干扰，所以WRAN采用了认知无线电技术，对电视频段进行感知和测量，利用动态频谱管理技术找到空闲频谱进行再分配。
WiMAX由于缺乏频段，专门成立了致力于解决共存问题的IEEE 802.16h工作组，可以使WiMAX适用于UHF电视频段，利用认知无线电技术使802.16系列标准可以在免许可频段获得应用。
为了进一步研究认知无线电，IEEE于 2005年成立了IEEE 1900标准组，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。该工作组对于认知无线电技术的发展和与其它无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。
3.2 认知无线电的相关政策
除了市场需求之外，任何一项关键技术的发展都离不开政府的强有力支持，认知无线电技术的发展尤其如此。相对而言，认知无线电面临的最大障碍是政策问题，而不是技术挑战。对实现交叉技术来说，政府分配给大规模高速无线通讯使用的频谱资源远远不够。这个问题很大程度起源于已经执行了半个多世纪的无线电频谱管理政策——把固定的频带分配给专用通讯。例如，分配给电视频道的固定频带只允许受让者使用，即使受让者不使用，该频道带宽处于闲置状态时，也不允许其他设备使用。同样，在特定区域内未经分配的电视频道频带也不允许其他设备使用，甚至不能被同一区域的其他电视广播设备使用，因此这些频道总是处于未使用状态。此外，频道之间也存在着未使用的频谱，因为各个电视广播设备的发射功率很高，可能会相互干扰，只有在各发射频道之间有一个很宽的频谱间隔，电视调谐器才可能清晰地接收广播信号。认知无线电技术推广的最大问题就是，必须利用政府分配给其他用户的闲置专用频带。这一问题如果不能从政策上解决，认知无线电技术就失去了发展基础。
2004年，美国联邦通讯委员会建议，认知无线电技术可以使用处于闲置状态的电视频道专用频带。根据这一决定，在城市地区，认知无线电技术可以享用的无线频带又增加了100多千赫。可以说，为认知无线电的发展提供了一张“特别通行证”。
4 认知无线电的市场需求
由于认知无线电能够最大程度地自动利用闲置频谱，而不需要来自控制网络的各种指令，因而将为用户节约不菲的使用费用。因此，当该技术最终实现市场化时，无线电用户的支出将能大大降低。
目前，90％以上的笔记本电脑都具有局域网性能，家用或商用局域网的数量也急剧增加。认知无线电技术的智能操作能在某一时刻，根据需要迅速地租用或借用局域网性能以及其他无线电频率的频谱(可以历时几秒钟或者几分钟)。据此，互联网服务商就可以将用户的数据或电话接通到全球的任何地方，也就是说，利用认知无线电技术，不需要专用蜂窝网络就可以顺利连通其他用户。
现在市场上先进的手机都具有很强的数据处理能力，每秒钟可处理几百万个指令。这种能力主要服务于专用的蜂窝标准，现在，这种能力则可以被用来安全地加载第三方软件，从而使你的手机与一个闲置的WLAN相连接。
此外，对传统手机系统来说，网络具有负责整个系统高效运作的智能。虽然最新型的手机本身也具有更多新功能，但其智能化程度依然有限，用户依然需要与服务商签订合同以获得进入网络的许可，然后才能连接到交换式电话网络。而认知无线电技术则能够把那些能够与无线网络连接的智能化设备镶嵌于无线设备内部、手提电脑或者无线管理器之中，因此大大提高了这些设备的智能化程度。
然而，在人类技术发展史上，大多数新技术在走向市场的过程中都会遇到这样或者那样的阻力，认知无线电技术也不例外。目前手机服务商对此项新技术就相当冷淡。在2004年召开的一个移动通信专题技术会议上，摩托罗拉公司一位高级管理人员指出，几年前以局域网为基础的电话在技术方面已经成熟，但手机服务商却不需要这样的设备，理由非常简单：如果在白天正常工作期间把电话自动转移到局域网上，手机服务业每天将会损失数小时的手机费用。
尽管认知无线电技术的发展会遇到一些既得利益者的抵制，但其发展势头仍不可阻挡。如果美国联邦通讯委员(FCC)会在政策方面继续加大支持力度，它将会把总量达数百兆赫的专用频带变为可共享无线频谱资源，长期困扰人们的无线频谱短缺问题就有可能得到缓解，认知无线电技术就将成为人类更好的通讯手段。以手机传输图像为例，现在传输一张压缩的数兆像素的图像需要一分钟，到那时，手机在1秒之内就可以传输10张这样的图像。
正如手机技术的不断进步给社会带来了广泛而深刻的影响一样，尽管认知无线电技术的发展尚需时日，但它必将对人类社会带来巨大而深刻的冲击。
5 结束语
认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用所发现的“空洞”的能力。值得指出的是认知无线电技术不但引起了学术界的相当关注，工业界对如何将其应用于实际通信系统也产生了浓厚的兴趣。有报道称具有认知功能的无线通讯产品将在近一两年内问世。但是要真正实现认知无线电技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术问题。在目前很多技术问题没有完全解决的情况下，各国政府对于此项技术也处于观望状态，对于此技术的产业化发展还有很长的路需要走，认知无线电能否成为市场的主流技术而被广泛应用仍然是值得期待的。 6 参考文献
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作者简介：
郭阳，硕士，毕业于西安电子科技大学。现工作于中兴通讯股份有限公司西安研究所，高级工程师。从事多天线技术、无线通信等研究，提出多篇关于MIMO的标准提案。 王衍文，博士，毕业于西安交通大学。现工作于中兴通讯股份有限公司西安研究所，主任工程师。从事宽带无线通信、多天线等技术研究，先后发表相关论文20余篇。
