认知无线电技术：无线电管理新助手

无线电通信领域，认知无线电技术（CR，CognitiveRadio）的研究一直为大家所瞩目。这一新兴技术融合了当代无线电通信技术、计算机技术、微电子学技术、软件无线电技术和现代信号处理技术等多学科之长，提出了一套完整的动态频谱资源利用和管理的方法，以期提高频谱利用率，满足无线电通信不断扩大的需求。无线电管理部门作为频谱的主管部门，强烈地感受到认知无线电技术带来的巨大影响。因此，充分合理地利用认知无线电技术，借此来提高频谱利用率，缓解目前紧张的频谱资源问题已是非常必要。

认知无线电技术的背景

随着各种无线通信技术的应用与发展，一方面频谱资源紧缺的状况日益突出，另一方面频谱资源的利用率十分低下。表1说明频谱需求将越来越高，但频谱资源有限。为了解决频谱物理资源匮乏与低利用效率之间的矛盾，迫切需要一种动态接入频谱的方式，认知无线电技术由此应运而生。认知无线电技术采取动态的频谱分配方式，可择机接入用户授权频段或非授权频段，以提高频谱利用效率，缓解频谱资源供求紧张的矛盾，促进无线通信技术的应用与发展。因此，认知无线电技术被提出后，便受到了无线电管理部门及相关行业等的密切关注。

认知无线电技术关键技术

认知无线电技术的主要工作包括频谱感知、动态频谱管理和传输功率控制三大部分。图1给出了一个认知环，说明了认知无线电的任务和组成。

频谱感知技术

认知无线电能够感知、适应和学习周围的电磁环境，发现频谱空穴（Frequency Hole），熟知无线信号的特征，并合理利用这些结果，这就是频谱感知（Spectrum Awareness）技术。

频谱感知也叫频谱空穴的探测，是认知无线电技术的一项重要任务，对认知无线电的设计和实现至关重要。频谱空穴的探测首先要感知外部无线环境，然后估计射频输入激励的功率频谱。为此，可以把功率频谱区域大致分成3类：黑色区域——大部分的时间被强功率的信号所占用；灰色区域——在部分时间被低功率信号所占用；白色区域——没有射频干扰，只有外界自然或人为的环境噪声。白色区域可以被非授权用户所使用，灰色区域在一定程度上也可以被非授权用户所使用。当黑色区域中的发射机处于工作状态时，非授权用户一定要避免使用。然而，在特定的位置，当那些发射机处于关机状态时，黑色区域就成了新的“频谱空穴”，认知无线电以适当的方式把黑色区域当成白色区域加以利用，达到频谱共享。

动态频谱分配

由于认知无线电网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的，传统的话音和无线网络的动态频谱分配（DSA， Dynamic Spectrum Allocation）方法不完全适用。另外要实现完全动态频谱分配（Fully DSA）受到很多政策、标准及接入协议的限制。因此目前基于CR的DSA的研究主要基于频谱共享池（Spectrum Pooling）这一策略。基于频谱共享池策略的DSA实质上是一个受限的信道分配问题，以最大化信道利用率为主要目标的同时，还需考虑干扰的最小化和接入的公平性。

功率控制

采用认知无线电技术实现频谱共享的前提是必须保证对主用户不造成干扰，而每个分布式操作的认知用户的功率分配是造成干扰的主要原因，因此需要探索适用于CR技术的分布式功率控制方法。

到目前为止，一般主要应用信息论和对策论来解决其功率控制的难题。多用户认知无线电系统的功率控制问题首先可看作是一个对策论的问题。若不考虑竞争现象，可看作纯合作对策，这样该问题就简化为一个最优控制理论问题，但限制了问题的许多方面。因此，用对策论方法研究的功率控制问题最终被归结为一个非合作对策。目前主流的方法是采用Markov对策进行分析解决。实现功率控制的另一种方法是基于信息论的迭代注水法。分析表明迭代注水法更适用于多用户环境，可通过增加遗憾意识的学习机制提高其性能，以支持更多用户接入。

认知无线电技术的应用

认知无线电技术能实现频率资源的动态使用，在无线电通信领域和无线电管理中应用广泛。CR技术切实提高了有限的无线电频谱利用率，也给无线电管理工作带来了新的工作思路和方向。

军事领域的应用

随着战场上智能化、信息化装备的逐渐增多，战场的电磁环境愈加恶劣，频谱资源也日益匮乏。认知无线电技术为这一问题的解决提供有效途径，军用认知无线电系统具备电磁环境感知能力，通过对环境的理解和学习，实时调整内部配置，以适应外部战场环境的变化。它将环境感知、信号处理、人工智能、软件无线电、资源调度分配、功率控制、协同通信等多项技术综合在一起， 在无需专门授权的情况下，认知无线电能够借助频谱感知等技术接入已授权的频段，极大地提高频谱利用效率和通信系统性能。

目前在军事上应用主要有三个方面：电磁环境感知和通信指挥一体化、军用认知频谱管理、军用认知抗干扰通信。

灾后应急通信中的应用

灾害发生时，电信企业都面临两大考验：一方面通信网络受到不同程度的损坏，信息通信服务保障能力大大降低；另一方面政府和公众均十分迫切地想了解灾情，通信业务“井喷式”增长，形成通信阻塞。认知无线电技术从解决应急通信中的中频信道拥堵，而高频段频谱利用率低下的问题出发，使得无线通信设备可以接入授权的高频空闲频谱，并动态地利用频谱，有望缓解现有通信线路的拥堵问题，为应急通信的建设展开了另一种技术前景。

无线电管理中的应用

无线电管理部门作为无线电频谱的直接主管部门，面对无线通信行业新技术新产品的蓬勃发展，频谱需求不断攀升，有必要利用和发挥认知无线电技术，实现无线电频谱利用最大化。

当前，认知无线电在无线电管理中的应用面临的最大障碍是政策问题，而不是技术挑战。频谱的缺乏主要是由于静态（固定）的频谱分配体制而不是频谱资源本身的缺乏，固定频谱管理策略所导致的频谱资源没有被充分利用实际上是“频率资源紧张”的主要原因，原有的静态的无线电管理手段已经不能适应对认知无线电的管理，需要改革和完善。

当前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。面对这些状况，无线电管理部门可以通过理顺频谱分配资源，分析政策障碍，制定切实有效的政策，统筹地方其他相关管理部门在无线电管理方面的协调工作。那么，通过认知无线电技术和无线电管理，这些闲置低利用率的优质频段可以被再次利用，从而提高无线电频谱的利用率，大大缓解了目前频谱紧张的局势。

此外，认知无线电技术对于无线电管理部门而言不但可以解决频谱资源紧张的矛盾，而且无线电监测也可以借助其先进的频谱感知技术来提升监测能力。

认知无线电技术的深远影响

认知无线电技术能实现频率资源的动态使用，提高无线电频谱的利用率，有效解决目前严重的频谱资源紧张问题。这一无线电通信新技术对频谱资源管理影响深远，将会是无线电技术发展史上的一个里程碑。

对于无线电管理部门来说，这既是机遇也是挑战。挑战是无线电管理部门如何才能更好地利用和发挥认知无线电技术。这就要求无线电管理部门在管理上有所突破，学习更先进的管理模式，需要考虑长期演进的频谱管理战略，以逐步开放的方式，制定不同阶段适合对认知技术开放的频段，将传统的封闭式、保护式的频率划分机制改变为开放式、互补式、动态灵活的频谱管理方式。机遇是借此契机，无线电管理部门借助认知无线电技术来提升能力，有效地解决无线电工作中的软肋，进一步加强同相关管理部门的协调工作。

无线电通信新技术发展层出不穷，无线电管理部门要与时俱进，不断提高监测能力和管理水平，保障无线电频率使用安全，切实维护好空中电波秩序，更好地服务于社会经济的发展，为经济发展保驾护航。