认知无线电的应用

【摘 要】基于认知无线电在无线通信中的重要作用，概述了认知无线电在民用和军用领域的应用情况。

【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

认知无线电（Cognitive Radio， CR）[1-4]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。认知无线电可以感知周围电磁环境，通过无线电知识描述语言（RKRL）与通信网络进行智能交流，并实时调整参数（通信频率、发送功率、调制方式、编码体制等），使通信系统的无线电参数不仅与规则相适应，而且能与环境相匹配，以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。作为一种更智能的频谱共享技术，是具有频谱感知能力的智能化软件无线电，能够依靠人工智能的支持，自动感知周围的电磁环境，寻找“空穴”，根据一定的通信协议和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态地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[5]。本文总结了认知无线电在军事和民用领域的应用，以期为相关领域的预研或正在跟踪的有关项目提供技术信息支持。

2.认知无线电的应用

目前，欧盟已经公布了以用户为本的4G概念，并着重确保4G服务的低价格。通过运用认知无线电技术有望推出低价格的4G服务。这正是基于认知无线电技术能在通信量的基础上实现不同频率的自动传输，从而更有效地利用频谱资源[6]。

当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如：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、美国乔治亚理工学院宽带和无线网络实验室Ian F.Akyildiz教授等人提出的OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。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。目前，最引人关注的是IEEE 802.11工作组的工作。该工作组正在制定利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化获得[7]。

2.1 民用领域[8，9]

2.1.1 在WRAN中的应用[5，9]

IEEE已于2004年10月正式成立IEEE 802.22工作组——无线区域网络（WRAN）工作组，2007年下半年完成标准化工作。IEEE 802.22的核心技术就是CR技术，其目的是研究基于认知无线电的物理层、媒体访问控制（MAC）层和空中接口，以无干扰的方式使用已分配给电视广播的频段，将分配给电视广播的甚高频/超高频频带（北美54～862 MHz）的频率用作宽带接入频段。依据IEEE 802.22功能需求标准，WRAN空中接口面临的主要挑战是灵活性和自适应性。此外，相比别的IEEE标准，IEEE 802.22空中接口的共存问题也很关键，如侦听门限、响应时间等多种机制还需要做大量的研究[2]。

2.1.2 在Ad Hoc网络中的应用

当认知无线电技术应用于低功耗多跳Ad Hoc网络中时，需要新的MAC协议和路由协议支持分布式频率共享系统的实现。一般的多跳Ad Hoc网络在发送数据包时需要预先确定通信路由，采用CR技术后，因来自周围无线系统的干扰波动较大，需要不断地更改路由。因此，用于Ad Hoc网络中的传统路由技术不再适用。针对这种情况，有研究者提出了采用空时块码（Space Time Block Code， STBC）分布式自动重传请求（Automatic Repeat request， ARQ）技术，利用包的重传来代替路由技术，该方法可根据周围的环境，避开干扰区域自适应选择路由。

此外，由于网络路由协议的最优选择很大程度上依赖于物理层环境（如移动性、传播路径等）的变化和应用的需求（如QoS）等，而在Ad Hoc认知无线电网络中，多种业务的QoS需求的变化要比网络拓扑的变化还要快。因此，有必要研究次优化路由协议，以保证长期的网络性能优化。

2.1.3在UWB中的应用[5]

最初将CR技术应用于UWB系统中，即认知UWB无线电技术的提出是为了实现直接序列超宽带（Direct Sequence UWB， DS-UWB）和多频带正交频分复用（Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing， MB-OFDM）两种UWB标准的互通，以及解决IEEE 802.15.3a物理层DS-UWB和MB-OFDM两种可选技术标准竞争陷入僵局的问题。

由于UWB系统与传统窄带系统之间存在着不可避免的干扰，将CR技术与UWB技术相结合以解决干扰问题，已成为近几年研究的热点，尤其是对UWB系统中基于CR的合作共存算法的研究较多。一个有效的方法是考虑将CR机制嵌入到UWB系统中。如以跳时-脉冲位置调制（Time Hopping-pulse Position Modulation， TH-PPM）为例，通过预先检测到的干扰频率，并相应选择合适的跳时序列，可将UWB系统与传统窄带系统间的干扰减至最小。

2.1.4 在WLAN中的应用[9]

具有认知功能的无线局域网（WLAN）可通过接入点对频谱的不间断扫描，从而识别出可能的干扰信号，并结合对其它信道通信环境和质量的认知，自适应地选择最佳的通信信道。另外，具有认知功能的接入点，在不间断进行正常通信业务的同时，通过认知模块对其工作的频段以及更宽的频段进行扫描分析，从而可尽快地发现非法恶意攻击终端。这样的技术应用在其它类型的宽带无线通信网络中也会进一步提高系统的性能和安全性。

但是，尽管认知无线电的智能性得到很多的认可，实际上还是存在很多否定意见。

2.1.5在网状（Mesh）网中的应用

认知Mesh网络是近几年出现的全新的网络结构，它具有无线多跳的网络拓扑结构，通过中继的方式有效地扩展网络覆盖范围。由于微波频段受限于视距传输，基于认知无线电技术的Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入[9]。

2.1.6在多入多出（MIMO）系统中的应用

在无线通信许多新的研究热点中，都有认知无线电可应用的场合。认知MIMO技术可显著地提高无线通信系统的频谱效率，这是认知无线电技术的主要目标，故将MIMO技术引入到认知无线电系统中，将能提供载波频率和复用增益的双重灵活性[9]。

值得关注的是，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[9]。墨尔本的Adapt4LLC公司在2006年2月宣布已开发出是世界最早的商用CR系统XG1，该系统取得美国FCC的认证，可以在一些授权频段未使用的情况下使用该频段进行通信。关于认知无线电在未来多媒体移动通信中的应用，文献[8]从多个方面进行了详细的分析与论述，在此不再赘述。

2.2军事领域

2.2.1 认知无线电在军事领域发挥的作用[1]

（1）提高通信系统容量

无线频谱资源短缺的问题，不仅在民用领域比较突出，在军用领域也是如此。尤其是在现代战争条件下，多种电子设备在有限的地域内密集开设，将使得频谱资源异常紧张。而且，随着民用无线电设备的更新换代和用户数量的急剧增加，对频谱的需求也越来越多。有一些国家的一些组织已经申请将部分军用频谱划归民用。这一动向无疑将更进一步加剧了军用无线电频谱资源短缺的问题。而CR能够动态利用频谱资源，理论上可使频谱利用率提高数十倍。因此，即使是部分采用CR，也能较大幅度提高整个通信系统的容量。

（2）提高频谱管理效率

战场频谱管理是一个非常重要的课题，各国军方都非常重视这一问题的研究。然而，目前基本都采用固定频率分配的形式进行战场频谱分配。从实战情况来看，这种方案是不完全成功的。一方面，这种分配方案不但导致频谱资源利用率较低，而且容易导致系统内部或者友军之间互相产生电磁干扰；另一方面，这种分配方案需要在战斗开始前花费大量的时间进行频谱规划；此外，通信频率一旦确定，在战斗状态下，无论发生什么情况都无法更改。因此，在战场形势瞬息万变的现代战争中，固定频谱分配方案容易贻误战机。CR能够对所处区域的战场电磁环境进行感知，对所需带宽和频谱的有效性进行自动检测。因此，借助CR可以快速完成频谱资源的分配，在通信过程中还可以自动调整通信频率。不仅提高了组网的速度，而且提高了整个通信系统的电磁兼容能力。

（3）提供电子对抗能力

电子对抗的传统做法是首先通过战场无线电检测，侦察战场电子环境，然后将侦察到的情况通过战役通信网传达给电子对抗部队，由担任电子对抗任务的部队实施干扰。这种方式不仅需要大量的人力物力，而且需要担任电磁环境侦察和电子对抗的部队密切配合。因此，从侦察到实施干扰的周期较长，容易贻误战机。CR通过感知战场电磁频谱特性，能够快速、准确地进行敌我识别。可以一边进行电磁频谱侦察，一边快速释放或躲避干扰，实现传统无线电所不具备的电子对抗能力。

（4）增强系统互联互通能力

目前，各军兵种装备了数量众多、型号各异的电台。这些电台工作频率、发射功率、调制方式等各不相同，无法实现互联互通，已成为制约三军联合作战的一个重要因素。CR能够覆盖很宽的频段，并且用软件来实现信号的基带处理、中频调制以及产生射频信号波形。通过自主加载不同的软件就可以使得一部CR技能与短波电台通信，也能与超短波电台通信，甚至能够与卫星通信。正是因为CR能够自主学习网络的通信协议和服务，从而能从根本上提高系统的互操作性和互联互通能力。

除了以上功能和优点外，CR还提供定位及环境感知功能，具有不易受民用无线电干扰、组网快捷等优点，这些都是传统无线电无法替代的优势所在。

2.2.2 认知无线电在军事领域的应用

基于在军事领域具有的功能和优点，认知无线电在军事领域有着广泛的应用前景，最重要的两项军事应用领域是频谱管理和抗干扰通信。

（1）频谱管理

美国联邦通信委员会把它看成是可能对频谱冲突产生重大影响的少数几种技术之一，而美国军方则因为它们在频谱规范方面面临着巨大的难题，所以也对认知无线电十分感兴趣。无论是进行军事演习和联合作战，或是在国内进行培训，军方都遇到有关频率分配的巨大问题。有了认知无线电技术，军方将不再局限于一个动态的频率规划，而是可以从根本上适应需求的变化。

为此，美国国防部提出下一代无线通信（XG）项目，初期投资1700万美元。该项目将研制和开放频谱捷变无线电（Spectrum Agile Radio），这些无线电台在使用法规的范围内，可以动态自适应变化的无线环境。XG项目的承包商雷声公司称，在不干扰其它无线电台正常工作的前提下，该项目可使目前的频谱利用率提高10～20倍。雷声公司在该研究中采用的就是认知无线电技术。目前正计划在实际环境中对其进行验证，并为XG技术向军事和潜在的商业应用移植作准备。

静态的、集中的频谱分配策略已不能满足灵活多变的现代战争的要求。未来通信的频谱管理应该是动态的、集中与分布相结合的，每一部电台都将具有无线电信号感知功能（侦察功能）。军用认知无线电如能将通信与侦察集成到一部电台里，那么组成的通信网络就具有很多的感知节点和通信节点。军用认知无线电台还可以使军方根据频谱管理中心分配的频率资源与感知的频率环境来确定通信策略，而频谱管理中心还可以从军用认知无线电台获取各地区的频谱利用及受扰信息。这样就形成了集中与分布式相结合的动态频谱管理模式，使得部署更加方便。

（2）高抗干扰通信

在未来的战场环境中，抗干扰将是军事通信的一个重要课题。军用认知无线电台将大大提升电台的抗干扰水平。应根据频谱感知、干扰信号特征以及通信业务的需求选取合适的抗干扰通信策略。比如，进行短报文通信时，可以采用在安静频率上进行突发通信的方式；当敌方采用跟踪式干扰时，可采用变速调频等干扰策略。

3.结束语

从本文的综述中可以看出，认知无线电技术是很多技术的高度综合，其在军事和民用领域的应用有着巨大的前景。但是，许多关键技术需要突破。研究人员应紧密跟踪其发展动向，努力开展技术攻关，力争尽早研制出具有自主知识产权的设备。

参考文献：

[1] Joseph Mitola，Maquire G Q Jr.Cognitive Radio：Making Software Radios More Personal[J].IEEE Personal Communications， 1999，6（4）：13-18.

[2] Joseph Mitola. Cognitive Radio-An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[D].Royal Inst.Technol.（KTH），Stockholm，Sweden，20000.

[3] Joseph Mitola. Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications[J].Mobile Networks and Applications， 2001， 6（5）： 435-441

[4] Joseph Mitola.Cognitive radio： agent-based control of software radio[C]//Proceedings of the 1st KarlCRuhe Workshop on Software Radio Technology.Karlsrhe，Germany，2000.

[5] 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.

[6] 周贤伟，孟 潭，刘志强，等.认知无线电研究综述.电讯技术，2006，46（6）.

[7] 王军，李少谦.认知无线电：原理、技术与发展趋势.中兴通讯技术，2007：1-4.

[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.