認(rèn)知無線電系統(tǒng)組成與運(yùn)用場景探析
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本文作者：宋志群 單位：中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所
認(rèn)知無線電系統(tǒng)是指采用認(rèn)知無線電技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，它借助于更加靈活的收發(fā)信機(jī)平臺和增強(qiáng)的計算智能使得通信系統(tǒng)更加靈活。認(rèn)知無線電系統(tǒng)主要包括信息獲取、學(xué)習(xí)以及決策與調(diào)整3個功能模塊，如圖1所示［3］。
認(rèn)知無線電系統(tǒng)的首要特征是獲取無線電外部環(huán)境、內(nèi)部狀態(tài)和相關(guān)政策等知識，以及監(jiān)控用戶需求的能力。認(rèn)知無線電系統(tǒng)具備獲取無線電外部環(huán)境并進(jìn)行分析處理的能力，例如，通過對當(dāng)前頻譜使用情況的分析，可以表示出無線通信系統(tǒng)的載波頻率和通信帶寬，甚至可以得到其覆蓋范圍和干擾水平等信息;認(rèn)知無線電系統(tǒng)具備獲取無線電內(nèi)部狀態(tài)信息能力，這些信息可以通過其配置信息、流量負(fù)載分布信息和發(fā)射功率等來得到;認(rèn)知無線電系統(tǒng)具備獲取相關(guān)政策信息的能力，無線電政策信息規(guī)定了特定環(huán)境下認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以使用的頻帶，最大發(fā)射功率以及相鄰節(jié)點(diǎn)的頻率和帶寬等;認(rèn)知無線電系統(tǒng)具備監(jiān)控用戶需求并根據(jù)用戶需求進(jìn)行決策調(diào)整的能力。如表1所示，用戶的業(yè)務(wù)需求一般可以分為話音、實(shí)時數(shù)據(jù)(比如圖像)和非實(shí)時數(shù)據(jù)(比如大的文件包)3類，不同類型的業(yè)務(wù)對通信QoS的要求也不同。
認(rèn)知無線電系統(tǒng)的第2個主要特征是學(xué)習(xí)的能力。學(xué)習(xí)過程的目標(biāo)是使用認(rèn)知無線電系統(tǒng)以前儲存下來的決策和結(jié)果的信息來提高性能。根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的不同，學(xué)習(xí)方法可以分為3類。第一類是監(jiān)督學(xué)習(xí)，用于對外部環(huán)境的學(xué)習(xí)，主要是利用實(shí)測的信息對估計器進(jìn)行訓(xùn)練;第2類是無監(jiān)督學(xué)習(xí)，用于對外部環(huán)境的學(xué)習(xí)，主要是提取外部環(huán)境相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律;第3類是強(qiáng)化學(xué)習(xí)，用于對內(nèi)部規(guī)則或行為的學(xué)習(xí)，主要是通過獎勵和懲罰機(jī)制突出適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的規(guī)則或行為，拋棄不適合當(dāng)前環(huán)境的規(guī)則或行為。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)根據(jù)學(xué)習(xí)機(jī)制可以分為:機(jī)械式學(xué)習(xí)、基于解釋的學(xué)習(xí)、指導(dǎo)式學(xué)習(xí)、類比學(xué)習(xí)和歸納學(xué)習(xí)等。
認(rèn)知無線電系統(tǒng)的第3個主要特性是根據(jù)獲取的知識，動態(tài)、自主地調(diào)整它的工作參數(shù)和協(xié)議的能力，目的是實(shí)現(xiàn)一些預(yù)先確定的目標(biāo)，如避免對其他無線電系統(tǒng)的不利干擾。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的可調(diào)整性不需要用戶干涉。它可以實(shí)時地調(diào)整工作參數(shù)，以達(dá)到合適的通信質(zhì)量;或是為了改變某連接中的無線接入技術(shù);或是調(diào)整系統(tǒng)中的無線電資源;或是為了減小干擾而調(diào)整發(fā)射功率。認(rèn)知無線電系統(tǒng)分析獲取的知識，動態(tài)、自主地做出決策并進(jìn)行重構(gòu)。做出重構(gòu)決策后，為響應(yīng)控制命令，認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以根據(jù)這些決策來改變它的工作參數(shù)和/或協(xié)議。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的決策過程可能包括理解多用戶需求和無線工作環(huán)境，建立政策，該政策的目的是為支持這些用戶的共同需求選擇合適的配置。
認(rèn)知無線電與其他無線電的關(guān)系
在認(rèn)知無線電提出之前，已經(jīng)有一些“某某無線電”的概念，如軟件定義無線電、自適應(yīng)無線電等，它們與認(rèn)知無線電間的關(guān)系如圖2所示。軟件定義無線電被認(rèn)為是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的一種使能技術(shù)。軟件定義無線電不需要CRS的特性來進(jìn)行工作。SDR和CRS處于不同的發(fā)展階段，即采用SDR應(yīng)用的無線電通信系統(tǒng)已經(jīng)得到利用，而CRS正處于研究階段，其應(yīng)用也正處于研究和試驗(yàn)當(dāng)中。SDR和CRS并非是無線電通信業(yè)務(wù)，而是可以在任何無線電通信業(yè)務(wù)中綜合使用的技術(shù)。自適應(yīng)無線電可以通過調(diào)整參數(shù)與協(xié)議，以適應(yīng)預(yù)先設(shè)定的信道與環(huán)境。與認(rèn)知無線電相比，自適應(yīng)無線電由于不具有學(xué)習(xí)能力，不能從獲取的知識與做出的決策中進(jìn)行學(xué)習(xí)，也不能通過學(xué)習(xí)改善知識獲取的途徑、調(diào)整相應(yīng)的決策，因此，它不能適應(yīng)未預(yù)先設(shè)定的信道與環(huán)境?？芍貥?gòu)無線電是一種硬件功能可以通過軟件控制來改變的無線電，它能夠更新部分或全部的物理層波形，以及協(xié)議棧的更高層。基于策略的無線電可以在未改變內(nèi)部軟件的前提下通過更新來適應(yīng)當(dāng)?shù)乇O(jiān)管政策。對于較新的無線電網(wǎng)絡(luò)，因特網(wǎng)路由器一直都是基于策略的。這樣，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商就可以使用策略來控制訪問權(quán)限、分配資源以及修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和行為。對于認(rèn)知無線電來說，基于策略技術(shù)應(yīng)該能夠使產(chǎn)品可以在全世界通用，可以自動地適應(yīng)當(dāng)?shù)乇O(jiān)管要求，而且當(dāng)監(jiān)管規(guī)則隨時間和經(jīng)驗(yàn)變化時可以自動更新。智能無線電是一種根據(jù)以前和當(dāng)前情況對未來進(jìn)行預(yù)測，并提前進(jìn)行調(diào)整的無線電。與智能無線電比較，自適應(yīng)無線電只根據(jù)當(dāng)前情況確定策略并進(jìn)行調(diào)整，認(rèn)知無線電可以根據(jù)以前的結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)，確定策略并進(jìn)行調(diào)整。
認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)
認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括無線頻譜感知技術(shù)、智能資源管理技術(shù)、自適應(yīng)傳輸技術(shù)與跨層設(shè)計技術(shù)等，它們是認(rèn)知無線電區(qū)別傳統(tǒng)無線電的特征技術(shù)［4，5］。
頻譜檢測按照檢測策略可以分為物理層檢測、MAC層檢測和多用戶協(xié)作檢測，如圖3所示。3．1．1物理層檢測物理層的檢測方法主要是通過在時域、頻域和空域中檢測授權(quán)頻段是否存在授權(quán)用戶信號來判定該頻段是否被占用，物理層的檢測可以分為以下3種方式:發(fā)射機(jī)檢測的主要方法包括能量檢測、匹配濾波檢測和循環(huán)平穩(wěn)特性檢測等，以及基于這些方法中某一種的多天線檢測。當(dāng)授權(quán)用戶接收機(jī)接收信號時，需要使用本地振蕩器將信號從高頻轉(zhuǎn)換到中頻，在這個轉(zhuǎn)換過程中，一些本地振蕩器信號的能量不可避免地會通過天線泄露出去，因而可以通過將低功耗的檢測傳感器安置在授權(quán)用戶接收機(jī)的附近來檢測本振信號的能量泄露，從而判斷授權(quán)用戶接收機(jī)是否正在工作。干擾溫度模型使得人們把評價干擾的方式從大量發(fā)射機(jī)的操作轉(zhuǎn)向了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間以自適應(yīng)方式進(jìn)行的實(shí)時性交互活動，其基礎(chǔ)是干擾溫度機(jī)制，即通過授權(quán)用戶接收機(jī)端的干擾溫度來量化和管理無線通信環(huán)境中的干擾源。MAC層檢測主要關(guān)注多信道條件下如何提高吞吐量或頻譜利用率的問題，另外還通過對信道檢測次序和檢測周期的優(yōu)化，使檢測到的可用空閑信道數(shù)目最多，或使信道平均搜索時間最短。MAC層檢測主要可以分為以下2種方式:主動式檢測是一種周期性檢測，即在認(rèn)知用戶沒有通信需求時，也會周期性地檢測相關(guān)信道，利用周期性檢測獲得的信息可以估計信道使用的統(tǒng)計特性。被動式檢測也稱為按需檢測，認(rèn)知用戶只有在有通信需求時才依次檢測所有授權(quán)信道，直至發(fā)現(xiàn)可用的空閑信道。由于多徑衰落和遮擋陰影等不利因素，單個認(rèn)知用戶難以對是否存在授權(quán)用戶信號做出正確的判決，因此需要多個認(rèn)知用戶間相互協(xié)作，以提高頻譜檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度，并縮短檢測的時間。協(xié)作檢測結(jié)合了物理層和MAC層功能的檢測技術(shù)，不僅要求各認(rèn)知用戶自身具有高性能的物理層檢測技術(shù)，更需要MAC層具有高效的調(diào)度和協(xié)調(diào)機(jī)制。
智能資源管理的目標(biāo)是在滿足用戶QoS要求的條件下，在有限的帶寬上最大限度地提高頻譜效率和系統(tǒng)容量，同時有效避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘烤哂幸欢ǖ臅r變性，因此需要采取一定的接入控制算法，以保障新接入的連接不會對網(wǎng)絡(luò)中已有連接的QoS需求造成影響。動態(tài)頻譜接入概念模型一般可分為圖4所示的3類。動態(tài)專用模型保留了現(xiàn)行靜態(tài)頻譜管理政策的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，即頻譜授權(quán)給特定的通信業(yè)務(wù)專用。此模型的主要思想是引入機(jī)會性來改善頻譜利用率，并包含2種實(shí)現(xiàn)途徑:頻譜產(chǎn)權(quán)和動態(tài)頻譜分配。開放共享模型，又稱為頻譜公用模型，這個模型向所有用戶開放頻譜使其共享，例如ISM頻段的開放共享方式。分層接入模型的核心思想是開放授權(quán)頻譜給非授權(quán)用戶，但在一定程度上限制非授權(quán)用戶的操作，以免對授權(quán)用戶造成干擾，有頻譜下墊與頻譜填充2種。認(rèn)知無線電中的頻譜分配主要基于2種接入策略:①正交頻譜接入。在正交頻譜接入中，每條信道或載波某一時刻只允許一個認(rèn)知用戶接入，分配結(jié)束后，認(rèn)知用戶之間的通信信道是相互正交的，即用戶之間不存在干擾(或干擾可以忽略不計)。②共享頻譜接入。在共享頻譜接入中，認(rèn)知用戶同時接入授權(quán)用戶的多條信道或載波，用戶除需考慮授權(quán)用戶的干擾容限外，還需要考慮來自其他用戶的干擾。根據(jù)授權(quán)用戶的干擾容限約束，在上述2種接入策略下又可以分為以下2種頻譜接入模式:填充式頻譜接入和下墊式頻譜接入。對于填充式頻譜接入，認(rèn)知用戶伺機(jī)接入“頻譜空穴”，它們只需要在授權(quán)用戶出現(xiàn)時及時地出讓頻譜而不存在與授權(quán)用戶共享信道時的附加干擾問題，此種方法易于實(shí)現(xiàn)，且不需要現(xiàn)有通信設(shè)備提供干擾容限參數(shù)。在下墊式頻譜接入模式下，認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶共享頻譜，需要考慮共用信道時所附加的干擾限制。
在不影響通信質(zhì)量的前提下，進(jìn)行功率控制盡量減少發(fā)射信號的功率，可以提高信道容量和增加用戶終端的待機(jī)時間。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的功率控制算法設(shè)計面臨的是一個多目標(biāo)的聯(lián)合優(yōu)化問題，由于不同目標(biāo)的要求不同，存在著多種折中的方案。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，現(xiàn)有的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的功率控制算法可以分成2大類:一是適用于分布式場景下的功率控制策略，一是適用于集中式場景下的功率控制策略。分布式場景下的功率控制策略大多以博弈論為基礎(chǔ)，也有參考傳統(tǒng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)中功率控制的方法，從集中式策略入手，再將集中式策略轉(zhuǎn)換成分布式策略;而集中式場景下的功率控制策略大多利用基站能集中處理信息的便利，采取聯(lián)合策略，即將功率控制與頻譜分配結(jié)合或是將功率控制與接入控制聯(lián)合考慮等。
自適應(yīng)傳輸可以分為基于業(yè)務(wù)的自適應(yīng)傳輸和基于信道質(zhì)量的自適應(yīng)傳輸?；跇I(yè)務(wù)的自適應(yīng)傳輸是為了滿足多業(yè)務(wù)傳輸不同的QoS需求，其主要在上層實(shí)現(xiàn)，不用考慮物理層實(shí)際的傳輸性能，目前有線網(wǎng)絡(luò)中就考慮了這種自適應(yīng)傳輸技術(shù)。認(rèn)知無線電可以根據(jù)感知的環(huán)境參數(shù)和信道估計結(jié)果，利用相關(guān)的技術(shù)優(yōu)化無線電參數(shù)，調(diào)整相關(guān)的傳輸策略。這里的優(yōu)化是指無線通信系統(tǒng)在滿足用戶性能水平的同時，最小化其消耗的資源，如最小化占用帶寬和功率消耗等。物理層和媒體控制層可能調(diào)整的參數(shù)包括中心頻率、調(diào)制方式、符號速率、發(fā)射功率、信道編碼方法和接入控制方法等。顯然，這是一種非線性多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化過程。
現(xiàn)有的分層協(xié)議棧在設(shè)計時只考慮了通信條件最惡劣的情況，導(dǎo)致了無法對有限的頻譜資源及功率資源進(jìn)行有效的利用?？鐚釉O(shè)計通過在現(xiàn)有分層協(xié)議棧各層之間引入并傳遞特定的信息來協(xié)調(diào)各層之間的運(yùn)行，以與復(fù)雜多變的無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相適應(yīng)，從而滿足用戶對各種新的業(yè)務(wù)應(yīng)用的不同需求?？鐚釉O(shè)計的核心就是使分層協(xié)議棧各層能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及用戶需求的變化，自適應(yīng)地對網(wǎng)絡(luò)的各種資源進(jìn)行優(yōu)化配置。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，主要有以下幾種跨層設(shè)計技術(shù):為了選擇合適的頻譜空穴，動態(tài)頻譜管理策略需要考慮高層的QoS需求、路由、規(guī)劃和感知的信息，通信協(xié)議各層之間的相互影響和物理層的緊密結(jié)合使得動態(tài)頻譜管理方案必須是跨層設(shè)計的。頻譜移動性功能需要同頻譜感知等其他頻譜管理功能結(jié)合起來，共同決定一個可用的頻段。為了估計頻譜切換持續(xù)時間對網(wǎng)絡(luò)性能造成的影響，需要知道鏈路層的信息和感知延遲。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層也應(yīng)該知道這個持續(xù)時間，以減少突然的性能下降;另外，路由信息對于使用頻譜切換的路由發(fā)現(xiàn)過程也很重要。頻譜共享的性能直接取決于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知的能力，頻譜感知主要是物理層的功能。然而，在合作式頻譜感知情況下，認(rèn)知無線電用戶之間需要交換探測信息，因此頻譜感知和頻譜共享之間的跨層設(shè)計很有必要。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，由于多跳通信中的每一跳可用頻譜都可能不同，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渑渲镁托枰李l譜感知的信息，而且，認(rèn)知無線電系統(tǒng)路由設(shè)計的一個主要思路就是路由與頻譜決策相結(jié)合。
認(rèn)知無線電應(yīng)用場景
認(rèn)知無線電系統(tǒng)不僅能有效地使用頻譜，而且具有很多潛在的能力，如提高系統(tǒng)靈活性、增強(qiáng)容錯能力和提高能量效率等。基于上述優(yōu)勢，認(rèn)知無線電在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
頻譜效率的提高既可以通過提高單個無線接入設(shè)備的頻譜效率，也可以通過提高各個無線接入技術(shù)的共存性能。這種新的頻譜利用方式有望增加系統(tǒng)的性能和頻譜的經(jīng)濟(jì)價值。因此，認(rèn)知無線電系統(tǒng)的這些共存/共享性能的提高推動了頻譜利用的一種新方式的發(fā)展，并且以一種共存/共享的方式使獲得新的頻譜成為可能。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的能力還有助于提高系統(tǒng)靈活性，主要包括提高頻譜管理的靈活性，改善設(shè)備在生命周期內(nèi)操作的靈活性以及提高系統(tǒng)魯棒性等。容錯性是通信系統(tǒng)的一項(xiàng)主要性能，而認(rèn)知無線電可以有效改善通信系統(tǒng)的容錯能力。通常容錯性主要是基于機(jī)內(nèi)測試、故障隔離和糾錯措施。認(rèn)知無線電對容錯性的另一個優(yōu)勢是認(rèn)知無線電系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)故障、響應(yīng)和錯誤信息的能力。認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以通過調(diào)整工作參數(shù)，比如帶寬或者基于業(yè)務(wù)需求的信號處理算法來改善功率效率。
認(rèn)知無線電所要解決的是資源的利用率問題，在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用的優(yōu)勢可以總結(jié)為如下。農(nóng)村無線電頻譜的使用，主要占用的頻段為廣播、電視頻段和移動通信頻段。其特點(diǎn)是廣播頻段占用與城市基本相同，電視頻段利用較城市少，移動通信頻段占用較城市更少。因此，從頻率域考慮，可利用的頻率資源較城市豐富。農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度一般不如城市，除電視頻段的占用相對固定外，移動通信的使用率不及城市，因此，被分配使用的頻率利用率相對較低。由于農(nóng)村地廣人稀，移動蜂窩受輻射半徑的限制，使得大量地域無移動通信頻率覆蓋，尤其是邊遠(yuǎn)地區(qū)，頻率空間的可用資源相當(dāng)豐富。
在異構(gòu)無線環(huán)境中，一個或多個運(yùn)營商在分配給他們的不同頻段上運(yùn)行多種無線接入網(wǎng)絡(luò)，采用認(rèn)知無線電技術(shù)，就允許終端具有選擇不同運(yùn)營商和/或不同無線接入網(wǎng)絡(luò)的能力，其中有些還可能具有在不同無線接入網(wǎng)絡(luò)上支持多個同步連接的能力。由于終端可以同時使用多種無線網(wǎng)絡(luò)，因此應(yīng)用的通信帶寬增大。隨著終端的移動和/或無線環(huán)境的改變，可以快速切換合適的無線網(wǎng)絡(luò)以保證穩(wěn)定性。
在軍事通信領(lǐng)域，認(rèn)知無線電可能的應(yīng)用場景包括以下3個方面。認(rèn)知抗干擾通信。由于認(rèn)知無線電賦予電臺對周圍環(huán)境的感知能力，因此能夠提取出干擾信號的特征，進(jìn)而可以根據(jù)電磁環(huán)境感知信息、干擾信號特征以及通信業(yè)務(wù)的需求選取合適的抗干擾通信策略，大大提升電臺的抗干擾水平。戰(zhàn)場電磁環(huán)境感知。認(rèn)知無線電的特點(diǎn)之一就是將電感環(huán)境感知與通信融合為一體。由于每一部電臺既是通信電臺，也是電磁環(huán)境感知電臺，因此可以利用電臺組成電磁環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)，有效地滿足電磁環(huán)境感知的全時段、全頻段和全地域要求。戰(zhàn)場電磁頻譜管理?，F(xiàn)代戰(zhàn)場的電磁頻譜已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的無線電通信頻譜，靜態(tài)的和集重視的頻譜管理策略已不能滿足靈活多變的現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求?；谡J(rèn)知無線電技術(shù)的戰(zhàn)場電磁頻譜管理將多種作戰(zhàn)要素賦予頻譜感知能力，使頻譜監(jiān)測與頻譜管理同時進(jìn)行，大大提高了頻譜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，拓寬了頻譜管理的涵蓋頻段。
結(jié)束語
如何提升頻譜利用率，來滿足用戶的帶寬需求;如何使無線電智能化，以致能夠自主地發(fā)現(xiàn)何時、何地以及如何使用無線資源獲取信息服務(wù);如何有效地從環(huán)境中獲取信息、進(jìn)行學(xué)習(xí)以及做出有效的決策并進(jìn)行調(diào)整，所有這些都是認(rèn)知無線電技術(shù)要解決的問題。認(rèn)知無線電技術(shù)的提出，為實(shí)現(xiàn)無線環(huán)境感知、動態(tài)資源管理、提高頻譜利用率和實(shí)現(xiàn)可靠通信提供了強(qiáng)有力的支撐。認(rèn)知無線電有著廣闊的應(yīng)用前景，是無線電技術(shù)發(fā)展的又一個里程碑。
