1.認(rèn)知無(wú)線電簡(jiǎn)介

認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive radio, CR)的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作。它可以通過(guò)學(xué)習(xí)、理解等方式，自適應(yīng)的調(diào)整內(nèi)部的通信機(jī)理、實(shí)時(shí)改變特定的無(wú)線操作參數(shù)（如功率、載波調(diào)制和編碼等），來(lái)適應(yīng)外部無(wú)線環(huán)境，自主尋找和使用空閑頻譜。它能幫助用戶選擇最好的、最適合的服務(wù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，甚至能夠根據(jù)現(xiàn)有的或者即將獲得的無(wú)線資源延遲或主動(dòng)發(fā)起傳送。

Joseph Mitola定義的認(rèn)知無(wú)線電強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)”的能力，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)需要考慮通信環(huán)境中的每一個(gè)可能參數(shù)，然后做出決定。相比于Joseph Mitola的定義，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)針對(duì)頻譜有效分配問(wèn)題對(duì)認(rèn)知無(wú)線電做出的定義更能為業(yè)界所接受。在2003年12月的一則通告中，FCC對(duì)認(rèn)知無(wú)線電作出如下定義：認(rèn)知無(wú)線電是能夠與所處的通信環(huán)境進(jìn)行交互并根據(jù)交互結(jié)果改變自身傳輸參數(shù)的無(wú)線電。FCC對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的這個(gè)定義主要是基于頻譜資源分配和管理問(wèn)題提出的。目前無(wú)線頻譜資源的規(guī)劃和使用都是由政府制定的，無(wú)線通信設(shè)備對(duì)頻譜的使用需要經(jīng)過(guò)政府的許可。而固定的頻譜分配政策導(dǎo)致了頻譜不能有效利用的問(wèn)題。除了JosephMitola和FCC外，還有很多學(xué)者對(duì)認(rèn)知無(wú)線電進(jìn)行了定義。比如，SimonHaykin結(jié)合JosephMitola和FCC的觀點(diǎn)，對(duì)認(rèn)知無(wú)線電做出如下定義 ：認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng)，它能感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)時(shí)改變傳輸功率、載波頻率和調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)外界環(huán)境的變化，從而達(dá)到很高的頻譜利用率和最佳通信性能。

2.認(rèn)知無(wú)線電的特點(diǎn)

對(duì)環(huán)境的感知能力：此特點(diǎn)是CR技術(shù)成立的前提，只有在環(huán)境感知和檢測(cè)的基礎(chǔ)上，才能使用頻譜資源。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測(cè)一定范圍的頻段，檢測(cè)頻譜空洞等信息。

對(duì)環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)性：此特點(diǎn)體現(xiàn)CR技術(shù)的智能性，在遇到主用戶信號(hào)時(shí)，能盡快主動(dòng)退避，在頻譜空洞間自如的切換。

通信質(zhì)量的高可靠性：要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)任何時(shí)間任何地點(diǎn)的高度可靠通信，能夠準(zhǔn)確地判定主用戶信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)、頻段等信息，及時(shí)調(diào)整自身參數(shù)，提高通信質(zhì)量。

系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性：CR設(shè)備可根據(jù)頻譜環(huán)境動(dòng)態(tài)編程，也可通過(guò)硬件設(shè)計(jì)，支持不同的收發(fā)技術(shù)。可以重構(gòu)的參數(shù)包括：工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。

3.認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)

3.1頻譜感知技術(shù)

頻譜感知技術(shù)是CR應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，也是CR核心技術(shù)，是保證高效率分配頻譜的先決條件。頻譜感知是在不干擾授權(quán)用戶的前提下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可用頻段并進(jìn)行相關(guān)分析，從而發(fā)現(xiàn)頻譜空穴。頻譜感知技術(shù)必須要保證良好的檢測(cè)性能，一旦檢測(cè)概率偏低，就會(huì)對(duì)授權(quán)用戶正常的通信造成干擾，而虛警概率偏高則會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知用戶無(wú)法正常接入空閑頻譜，降低頻譜的利用率。頻譜感知分為單節(jié)點(diǎn)感知與多節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知。

單節(jié)點(diǎn)頻譜感知即單個(gè)用戶獨(dú)立判決，不涉及復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)融合問(wèn)題，相對(duì)簡(jiǎn)單。但感知性能提升無(wú)法突破物理局限瓶頸。在此背景下，協(xié)作頻譜感知被提出，有效克服了單節(jié)點(diǎn)物理局限，提高了頻譜感知性能，能更好地適用于更低的信噪比環(huán)境。多節(jié)點(diǎn)協(xié)作通過(guò)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作達(dá)到系統(tǒng)要求的檢測(cè)門(mén)限，從而降低對(duì)單個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的要求，降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。

經(jīng)典的頻譜感知方法包括能量檢測(cè)算法、匹配濾波器檢測(cè)算法、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)算法。能量檢測(cè)算法計(jì)算量小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、不需要主用戶的先驗(yàn)知識(shí)，但由于其易受噪聲不確定度影響，在低信噪比時(shí)檢測(cè)性能急劇下降。近年來(lái)基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰姆椒ㄖ饾u應(yīng)用于頻譜感知。這種方法將協(xié)方差矩陣的特征值作為信號(hào)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，再利用統(tǒng)計(jì)特征與門(mén)限比較從而實(shí)現(xiàn)頻譜感知。但是這種方法需要計(jì)算特征值及對(duì)門(mén)限的準(zhǔn)確估計(jì)，而門(mén)限估計(jì)值的精度嚴(yán)重影響著頻譜感知的效果。因此，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的頻譜感知算法逐漸成為了研究的焦點(diǎn)。

頻譜感知的目的是對(duì)頻段進(jìn)行監(jiān)控然后通過(guò)對(duì)接受信號(hào)的成分分析，從而確定該頻段是否被主用戶(Primary User, PU)占用。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，頻譜感知本質(zhì)上是一個(gè)二元分類(lèi)問(wèn)題，即:

H0情況，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量小于檢測(cè)門(mén)限，認(rèn)為 PU 不存在，次級(jí)用戶( Second User, SU) 可以接入授權(quán)頻段

H1情況，當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量大于檢測(cè)門(mén)限時(shí)，判定 PU 存在，SU不可接入授權(quán)頻段。其數(shù)學(xué)模型如下所示:

其中，s( n) 為主用戶信號(hào)，x( n) 表示次用戶接收接信號(hào)( n = 1，2，．．，N) 在時(shí)間 n 處的采樣值，w( n) 表示噪聲信號(hào)，h( n) 表示信道增益。

現(xiàn)階段機(jī)器學(xué)習(xí)可以很好的解決二分類(lèi)問(wèn)題，所以可以采用傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法如K均值聚類(lèi)(K-Means)，支持向量機(jī)(Support Vector Machine,?SVM)，或高斯混合模型(Gaussian Mixture Model, GMM)等，也可以使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks, CNN), 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Neural Network, RNN)或長(zhǎng)短時(shí)記憶(Long Short-Term Memory, LSTM)來(lái)解決進(jìn)行分類(lèi)。

3.2調(diào)制識(shí)別技術(shù)

通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別（或者調(diào)制分類(lèi)）是指在有噪聲和多信號(hào)類(lèi)型的條件下，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理并利用信號(hào)的某些特定參數(shù)來(lái)自動(dòng)確定信號(hào)調(diào)制類(lèi)型，是分析和處理信號(hào)檢測(cè)、解調(diào)不可或缺的一步。

通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別有兩種分類(lèi)，一種是類(lèi)間識(shí)別(Intra-Recognition)，指的是某幾大類(lèi)信號(hào)間的分類(lèi)識(shí)別，例如MASK、MFSK、MPSK這三大類(lèi)信號(hào)，另一種是類(lèi)內(nèi)識(shí)別(Inter-Recognition)，指的是某一大類(lèi)信號(hào)間信號(hào)的分類(lèi)識(shí)別，例如2ASK信號(hào)和4ASK這兩種信號(hào)。通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別主要包括三個(gè)基本步驟：信號(hào)預(yù)處理、特征提取及選擇和分類(lèi)識(shí)別，其識(shí)別過(guò)程基本結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

其中信號(hào)預(yù)處理部分主要是為特征提取和識(shí)別部分提供合適的處理數(shù)據(jù)，隔離每個(gè)信號(hào)保證一次只能有一種信號(hào)進(jìn)入后續(xù)環(huán)節(jié)。另外，預(yù)處理還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段，以消除無(wú)線信道引起的衰落效應(yīng)。信號(hào)預(yù)處理任務(wù)一般包括：頻率下變頻、中頻濾波、信號(hào)分離、載波同步、載頻分量的消除等。因此，在發(fā)射源環(huán)境中，信號(hào)的預(yù)處理是非常有用的。特征提取及選擇部分的主要工作是從經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)中提取出合適的用于信號(hào)調(diào)制識(shí)別的各個(gè)參數(shù)特征。分類(lèi)識(shí)別主要是用于選擇和確定出有效的識(shí)別方法、規(guī)則以及分類(lèi)器類(lèi)型。

4.認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)

當(dāng)前，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。很多著名學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都投入到認(rèn)知無(wú)線電相關(guān)技術(shù)的研究中，啟動(dòng)了很多針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的重要研究項(xiàng)目。例如：德國(guó)Karlsruhe大學(xué)的F. K. Jondral教授等提出的頻譜池系統(tǒng)、美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究組開(kāi)發(fā)的COVUS系統(tǒng)、美國(guó)Georgia理工學(xué)院寬帶和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項(xiàng)目、美國(guó)軍方DARPA的XG項(xiàng)目、歐盟的E2R項(xiàng)目等。在這些項(xiàng)目的推動(dòng)下，在基本理論、頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議、與現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的融合以及原型開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域取得了一些成果。IEEE為此專(zhuān)門(mén)組織了兩個(gè)重要的國(guó)際年會(huì)IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流這方面的成果，許多重要的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊也通過(guò)將刊發(fā)關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電的專(zhuān)輯。目前，最引人關(guān)注的是IEEE 802.22工作組的工作，該工作組正在制定利用空閑電視頻段進(jìn)行寬帶無(wú)線接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個(gè)引入認(rèn)知無(wú)線電概念的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。

結(jié)合上述認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)認(rèn)知無(wú)線電未來(lái)會(huì)沿著以下幾個(gè)方面發(fā)展：

基本理論和相關(guān)應(yīng)用的研究，為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。比較重要的包括：認(rèn)知無(wú)線電的信息論基礎(chǔ)和認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，例如：頻譜資源的管理、跨層聯(lián)合優(yōu)化等等。

試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。目前，已經(jīng)有多個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中，這些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功，將為驗(yàn)證認(rèn)知無(wú)線電的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)提供測(cè)試床，推動(dòng)其大規(guī)模應(yīng)用。

與現(xiàn)有系統(tǒng)的融合。雖然目前認(rèn)為認(rèn)知無(wú)線電的應(yīng)用應(yīng)該不要求授權(quán)用戶作任何改變，但如果授權(quán)用戶和認(rèn)知無(wú)線電用戶協(xié)同工作，將會(huì)便于實(shí)現(xiàn)并提高效率。目前，已經(jīng)有一些研究工作在考慮將認(rèn)知無(wú)線電集成到現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的方法，并取得了一些初步成果。預(yù)計(jì)未來(lái)這方面將會(huì)有大量的需求。

總結(jié)

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