无线区域网和认知无线电技术(2)

    作者:田峰 程世伦 杨震  摘要：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(CR)技术，在现有电视频段利用暂时空闲的频道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道产生干扰，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，利用动态频谱治理技术找到空闲频道进行再分配。认知无线电技术将是未来无线通信的发展方向之一。本讲座将分3期对无线区域网和认知无线电技术进行介绍，第1讲介绍无线区域网络和IEEE802.22工作组情况，包括WRAN背景、802.22系统、802.22空中接口等；第2讲介绍认知无线电技术和实现其的基础软件无线电(SDR)技术，包括无线电知识描述语言(RKRL)和认知循环、无线电频谱礼仪等；第3讲介绍802.22WRAN频谱共存问题和认知无线电技术的应用。

    基金项目：教育部重点科技项目(206055)

    2.认知无线电

    无线区域网(WRAN)工作在现有电视频段中，采用动态频谱治理技术，实现与现有电视系统的频谱共享，最大限度地提高频谱利用率。认知无线电(CR)是实现WRAN的要害，而且被普遍认为是解决目前无线频谱利用率低问题的最佳方案。虽然认知无线电技术的发展刚刚起步，然而，放眼未来，可以认为它极具潜力。认知无线电可以在提高无线频谱使用效率、改善无线通信系统性能等方面发挥重要作用，并且随着人工智能和信号处理技术的不断发展，认知无线电将会使得无线通信系统更加智能化，将对人类社会未来的通信发展产生不可估量的影响。

    2.1认知无线电目前的研究现状

    认知无线电(Cognitive Radio)这个术语首先是Joseph Mitola在软件无线电概念的基础上提出的。1999年Mitola在他的博士论文中描述了一个认知无线电系统，通过无线知识描述语言(RKRL)来加强个人无线服务的灵活性，对认知无线电进行扩展，并给出了令人感爱好的跨学科的认知无线电的概念总结。

    美国联邦通信委员会(FCC)2002年发布的频谱政策非凡工作组(SPTF)报告，对频谱资源的使用政策具有深远的影响。报告设定了认知无线电工作组，并于2003年5月在华盛顿成立，随后在2004年3月在美国拉斯维加斯召开了一个认知无线电的学术会议，标志着认知无线电技术正式起步。

    学术界也行动起来，闻名通信理论专家Simon Hakin在2005年2月JSAC in Communications上发表了关于认知无线电的综述性文章“Cognitive radio: brain-empowered wireless communications”，开始了国际性的认知无线电技术研究。随后Berkeley、Virginia、Stevens等大学研究所和软件无线电(SDR)论坛等研究组织纷纷展开研究，Rutgers大学Winlab实验室还进行了认知无线电平台的开发。

    美国国防部(DARPA)的XG计划将研制以认知无线电为核心的系统方法和要害技术，以实现动态频谱接入和共享。XG称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高10～20倍。图5为XG计划的动态频谱利用图。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia等公司也已经开始着手进行认知无线电系统技术的研究。

    认知无线电的目的在于提高频谱利用率。但这不仅是个技术问题，由于要从根本上改变过去的无线电资源分配状态，因此要想实现认知无线电，除技术开发之外，还必须有政府法规上的支持。美国2004年5月颁布建议制订规则通告(NPRM)，答应在不影响授权用户(如电视接收者)的前提下，通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中的未授权的无线资源，放宽了认知无线电实用化的限制。日本也已公布将于2005年开始探讨该技术。欧洲的德国、英国、意大利、瑞典等目前都有相关机构在研究认知无线电。

    认知无线电有多种不同的定义和概念模型以及不同的体系架构。Berkeley大学提出的一种认知无线电网络层次结构如图6所示，考虑了结构底下两层与普通的开放系统互连(OSI)模型的不同之处。该模型只考虑了波形感知、频谱感知、网络感知、状态感知，没有考虑到地理位置感知、本地可用业务感知、用户需求感知、语言感知。总的来说，认知无线电是一个智能的无线通信系统，目前对它的研究主要集中在物理层和媒体访问控制(MAC)层。认知无线电能感知四周无线环境，通过对环境的理解、主动学习以实现在特定的无线操作参数上(如功率、载波调制和编码等方案)实时改变和调整内部状态，适应外部无线环境的变化，达到通信系统性能最优化的目的。认知无线电具有在不影响其他授权用户的前提下智能地利用大量空闲频谱并且随时随地提高可靠性的通信的潜能。信号处理，人工智能、软件无线电、频率捷变、功率控制等技术的迅猛发展，为认知无线电实现上述非凡性能提供了条件。

    近两年国际上召开了两个重要的有关认知无线电技术和动态信道分配的会议，分别是：2004年10月份在Washington召开的“Cognitive Radios Conference”，会议的主要议题包括：紧急的商业和军事需求和机会，对于认知无线电的频谱政策——军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知无线电，用于自适应频谱治理的工具和技术，子系统的研发：智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技术；2005年11月份召开的动态频谱接入(DySPAN)会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表了80多篇文章。

    2.2认知无线电的基本功能

    从认知无线电的定义中，我们不难发现6个要害字眼：感知、智能、学习、自适应性、可靠性、效率。认知无线电的感知能力涵盖了很多方面，包括波形感知、频谱感知、网络感知、地理位置感知、本地可用业务感知、用户需求感知、语言感知、状态感知、安全策略感知等等，其中频谱感知是目前人们最为关注的方面。认知无线电最大的特点在于智能性，也是它与普通软件定义无线电最大的不同。认知无线电是一个目标驱动的框架结构，对于事件响应都按照计划、决定、实施的顺序执行。

    认知无线电可以自动观察无线电环境、分析信息内容、评估选择、产生计划、监控服务，通过基于模型的推理来获得特定能力。认知无线电还能够从错误中进行学习，包括一些有指导和无指导的机械学习形式。这种观察、思考、行动的循环的工作过程不同于今天的手机——只能在用户设定的频率上交换数据和执行网络的指令。

    因此，认知无线电不仅需要具备可编程性的软件无线电平台，还要包括强健的计算机模型、用户模型、网络模型和射频传输环境。

    一般来说认知无线电系统必须具备以下基本功能：

    (1)对无线环境的场景分析，包括空间电磁环境中干扰温度的估计和频谱空穴的检测。

    (2)信道状态估计及其容量猜测，主要有信道状态信息的估计、信道容量的猜测。

    (3)功率控制和动态频谱治理。

    认知无线电通过空间的射频激励来分析电磁环境，寻找满足干扰温度(IT)要求的频段，假如该频段的信道状况能满足通信所要达到的要求条件，则向网络发送无线资源分配的请求，在获取资源后，就开始启动通信过程。

    通信过程中，避免对正在使用信道的法定授权用户，即主用户(PU)，的干扰是对认知无线电技术最基本的要求。作为次级用户(SU)只能利用PU未使用的频段，一旦发现主用户要使用该频段时，认知无线电要在规定的时间内让出该频段而切换到其他未使用的空白频段，这样既避免了对主用户产生干扰，也不会中断认知无线电的通信过程。但认知无线电也要避免过于频繁地切换频段，因为频繁地切换频段会导致次级用户的服务质量(QoS)得不到保证，也降低了频谱的利用率。另外通过引入人工智能、信号处理等技术，未来认知无线电的应用将不仅仅是单纯的频谱检测，可能会扩展到整个系统性能的感知，将使得未来无线通信系统更加智能化、人性化。

    2.3基于RKRL语言和SDR平台的认知无线电

    软件无线电(SDR)是一种多波段多模式个人通信系统平台，其通过射频带宽、空气介面、协议、空间和实时模式的灵活变化来缓解无线频谱的紧缺状况。认知无线电通过在无线域建模来扩展软件无线电的功能，通过无线知识描述语言(RKRL)来加强个人服务的灵活性。RKRL描述的内容包括了无线方式、设备、软件模块、传输、网络、用户需求和根据用户的需求而自动配置的应用方式。RKRL语言可以在软件无线电平台上实现，这样的平台将无线节点从仅仅执行事先确定好的协议转变成无线域的智能代理，实现了原先固定功能和通信模式的系统转变成为智能通信系统的变革。

    通过RKRL，认知无线电系统知道高级语言配置均衡器接口和接口线路延迟结构的具体参数。均衡器接口和接口线路延迟结构采用特定应用集成电路(ASIC)、现场可编程阵列(FPGA)或者某种软件无线电算法实现。认知无线电有自己的内部构架模型，如图7所示，能够通过相应的模式解决出现的问题。

    软件无线电平台硬件包括天线、无线射频转换模块、调制解调器和图7中所示基带处理器、用户接口等硬件模块。基带处理器包括基带调制解调器和一个终端控制协议栈，此外还包括一个感知装置和一个算法模块。算法模块包含用来描述无线电本身的RKRL结构、均衡器以及其中的所有的本体，用RKRL来写，即以软件来替代硬件功能。

    实现上述功能，高端内存、计算算法和通信的带宽对认知无线电都是必需的。根据外部环境变化调整通信系统的配置不会花很长的时间，一般认知无线电也不需要人来干涉它的工作过程。假如要对认知无线电进行干涉，主要目的也是为了保证无线电网络的稳定性。很显然，这种认知无线电网络是复杂的自适应系统，具有适应外界环境变化的能力。

    2.4无线电表述语言

    除了自然语言，还有几种计算机语言能够表达相关的无线电知识。但是，大多数的无线电语言如规范描述语言(SDL)、统一建模语言(UML)、接口定义语言(IDL)等都是用于描述的计算机语言，缺乏准确性和灵活性。

    在认知无线电的研究中，如何表达外部世界的信息始终是一个重要的研究课题。RKRL是瑞典皇家科学院(KTH)专为认知无线电开发的一套语言，是用来描述整个事件知识、计划和需求的语言。它所包括的知识问询和操作语言(KQML)就是为了使内部知识的交换变得更加方便。使用KQML，移动节点和网络可以分享预期频谱需求的计划，可以有效地识别和租用频谱。

    RKRL提供了一种标准的能够对随机的数据交换进行动态定义的语言。RKRL的每个部分根据规则的模式和描述语言的基础来构成，其能力来自于感知循环中的模式匹配、计划产生能力，由相关的推理引擎来调整。RKRL包括语法和本体信息。RKRL涉及的范围包括规则的模式、语言定义、推论模式、多语法和无线的本体。

    RKRL是一种并行对象语言，通过基于模式的推理综合了各种语言的特点。通过RKRL这种标准语言，可动态定义认知无线电系统突发的数据变换，其代理可以快速地通过操作相关协议使无线规则更好地满足用户需求，增强了系统的灵活性和反应能力。

    2.5认知无线电规则

    既然认知无线电能够主动自由地选择射频信道、空中接口、协议架构以及为了和其他用户竞争的服务价格，从某些方面来说它和棋类游戏是类似的。网络可以协调这种游戏规则，许多研究人员采用博弈论来进行信道频谱分配和功率控制，未来在一些频段认知无线电系统可以完全和其他系统竞争达到无线电资源均衡利用。进行这个游戏的平台是无线射频频段的各种无线频谱、空中接口、智能天线、实时模式以及基础设施和手机等，RKRL提供了描述这种游戏平台的语言，能很好的表述这个游戏的平台和合法使用认知无线电。

    2.6认知循环

    认知无线电是建立在软件无线电平台之上的一个智能无线通信系统，它能够感知外部环境、使用边了解边累积的方法对外部环境进行学习，并根据外部环境提供的激励，对运行参数(如传输功率、载波频率、调制方式等)进行相应的修改，从而达到内部状态的自适应调整。其主要目的就是提高无线通信的可靠性和提高无线频谱资源的使用效率。

    认知无线电系统感知学习循环的完整过程如图8所示。图8中，外部世界提供激励，认知无线电对这些激励进行处理和分析，从而提取有益于提高其系统性能的相关信息。比如，它可以通过分析全球定位系统参数，或者加上亮度以及温度决定通信环境是在室内还是室外等等。这种处理发生在认知循环的观察阶段，对引入和发出的信息进行分析来获得容量情况，包括分配给用户或是用户所需要提供的容量。有时候这需要必要的前后相关信息来推测通信的突发性以及相关的内在通信任务。基于上述信息，认知无线电系统进行通信资源的规划分配，做出决策，启动接入控制过程，开始通信，并基于信息和学习规则调整通信系统状态以达到最优性能，然后再开始下一轮感知(观察)，这是一个循环过程。

    2.7认知无线电礼仪

    认知无线电能进行有序地工作是因为它有一整套来规范行为的无线电礼仪规则，这是一组由射频频段、空中接口、协议、空时模型以及为缓解频谱使用紧张而制订的高层协商规则所组成的规范模式。频谱租用程序、用户优先级策略和无线电知识描述语言等都为频谱的统筹规范使用提供了保障，为实现认知无线电的频谱共享提供规范。认知无线电礼仪协议在频谱有效和混乱之间进行权衡，使得所有的应急服务、政府、个人和商业用户可以主动或被动地共享该协议的成果。

    频谱租用程序是一种类似于握手协议的协商程序。频谱出租者首先发送出租频谱的信号，里面包含一些诸如频率、带宽、可以使用的时间段以及价格等相关信息；租用者在收到信号后，给对方发送意向信号，里面列举了自己所希望达到的要求；双方经协商后，最后达成一致，从而完成一个简单的频谱租用程序。同理，也可以反过来，由租用者事先发出频谱需求信息。

    用户优先级策略是为了提高频谱治理的高效性和保障社会通信的有序性。应急服务、政府部门、商业客户及个体用户等各种用户应该具有不同的优先级。例如应该首先考虑警方、消防和医疗急救等社会紧急事务，把他们的优先级设定为最高。现有的频谱分配特征确定了默认的频谱使用优先级。通过频谱治理者的授权可以改变全局或局部的优先级。这个协议答应分配一个用户、一个频道或者一个有非凡优先级(用户、时间、空间、频率)的组合。

    认知无线电为人性化服务提供了巨大的潜能，但是频谱共享礼仪规则的制订十分耗费人力。部分原因是由于没有统一的表示无线电知识的方式，限制了认知无线电对网络和用户的响应。RKRL可能会有助于更好地提高该过程的自动化。

    2.8无线认知网络

    随着认知无线电的发展和深入研究，Motorola及Virginia Tech等公司提出了无线认知网络的概念，他们认为无线认知网络是一种具有认知能力的网络，能够感知网络当前的状况，并根据当前的状况来计划、决定并行动，也就是说可以自我配置来响应和动态自适应操作和环境的改变。自我配置的主要功能组成是自我意识和自动学习，通过具有网络意识的中间件和网络各组成部分分布式交叉来实现。无线认知网络能最大化操作者的能力。认知无线电作为节点构成智能的认知无线网络，是网络的核心。

    综上所述，无论对于民用和军事应用，认知无线电将使无线通信产生巨大变化的潜力被非常看好。毫无疑问，认知无线电技术将是未来无线通信的发展方向之一。(待续)

    作者简介：

    田峰，南京邮电大学信号与信息处理专业在读博士研究生，研究方向为无线通信与网络信号处理。

    程世伦，南京邮电大学信号与信息处理专业在读博士研究生，研究方向为无线通信与网络信号处理。

    杨震，南京邮电大学校长、教授、博士生导师，主要研究方向为无线通信与网络信号处理、语音处理与现代语音通信技术、信息安全技术。（张翀编辑）