线通讯
着线通信技术发展线户数量急剧增加频谱资源变越越紧张充分提高线频谱利率成亟解决技术问题认知线电技术提出种新解决思路核心思想线通信设备具发现频谱空洞合理利发现空洞力然认知线电技术更灵活方式理限频谱资源真正应实际通信系统需解决包括频谱检测适应频谱资源分配线频谱理等关键技术问题
1认知线电技术提出背景
着线通信技术飞速发展频谱资源变越越紧张尤着线局域网(WLAN)技术线域网络(WPAN)技术发展越越通技术线方式接入互联网网络技术非授权频段(UFB)工作WLANWRAN线通信业务迅猛发展网络工作非授权频段已渐趋饱外通信业务(电视广播业务等)需通信网络提供定保护免受通信业务干扰提供良保护频率理部门专门分配特定授权频段(LFB)供特定通信业务授权频段相非授权频段频谱资源少(部分频谱资源均做授权频段)相数量授权频谱资源利率非常低出现样事实：某部分频谱资源相较少承载业务量外已授权频谱资源利率低出样结：基目前频谱资源分配方法相部分频谱资源利率低
解决频谱资源匮乏问题基思路量提高现频谱利率提出认知线电概念认知线电基出发点：提高频谱利率具认知功线通信设备某种伺机(Opportunistic Way)方式工作已授权频段然定建立已授权频段没少通信业务活动情况种空域时域频域中出现利频谱资源称频谱空洞认知线电核心思想线通信设备具发现频谱空洞合理利力
非授权通信户通方式已授权频谱资源时必须保证通信会影响已授权户通信做点非授权户必须定规发现频谱空洞认知线电中样规某种机器理解形式(XML语言)加载通信终端规时根频谱利情况通信业务负荷分布等进行断调整通规频谱理者更灵活方式理宝贵频谱资源
2认知线电历史概念
介绍出提高频谱利率充分利检测频谱空洞认知线电技术项应作全新概念提出认知线电涵盖面更广泛认知线电基定义纳[1]：认知线电(Cognitive Radio)感知外界通信环境智通信系统认知线电系统通学断感知外界环境变化通适应调整身部通信机理达环境变化适应样适应调整方面改进系统稳定性方面提高频谱资源利率总结出认知线电具特点：
*环境感知力
*环境变化学力
*环境变化适应性
*通信质量高性
*频谱资源充分利
*系统功模块重构性
认知线电MITRE公司顾问瑞典皇家技术学院Joseph Mitola博士生GERALD Q MAGUIRE JR教授1999年8月IEEE Personal Communications杂志明确提出[2]软件线电进步扩展认知线电采线电域基模型方法控制线电频谱规(射频频段空中接口协议空间时间模式等)进行推理通线电知识表示语言(RKRL)[3]表述线电规设备软件模块电波传播特性网络户需求应场景知识增强业务灵活性软件线电技术更满足户需求
没成熟认知线电标准法规线业界强烈感觉认知线电成波击性技术革新浪潮IEEE2004年10月正式成立IEEE 80222工作组——线区域网络(WRAN)工作组计划2007年半年完成标准化工作目研究基认知线电物理层媒体访问控制(MAC)层空中接口干扰方式已分配电视广播频段分配电视广播甚高频超高频(VHFUHF)频带(北美54 MHz～862 MHz)频率作宽带接入频段
美国联邦通信委员会(FCC)2003年12月相美国电波法FCC规第15章(FCC rulePart15)公布修正案明确具备认知线电功途未获许线终端需线许现线频带FCC推进智线技术时放宽关限制
针认知线电美国国防部提出代线通信(XG)项目2004年该项目进入第三研究阶段投资1 700万美元预计2006年底完成第三阶段研究该项目研制开发频谱捷变线电(Spectrum Agile Radios)线电台法规范围动态适应变化线环境干扰正常工作线电台前提接入频谱范围扩10倍
3认知线电应场景
考虑工作非授权频段(免授权国家信息基础设施频段)线通信终端(遵循WiFi规范)工作免授权国家信息基础设施(UNII)频段通信业务非常繁忙(达饱状态)样工作频段已法满足通信终端新业务请求鉴种情况频谱理机构(FCC)选择利率较低已授权频段(电视广播频段中干未频谱资源)样频段暂时支持非授权频段未接入系统通信业务频谱理机构生成套已授权频段法规(法规指导约束着非授权户合理授权频段)法规频谱理机构某种机器理解方式发布
具认知线电功非授权户定期搜索载相应频谱法规获新频谱法规非授权户根法规身通信机制进行调整(通信机制包括：工作频段发射功率调制解调方式址接入策略等)周边通信终端快获更新法规获新法规终端获法规广播出然具备认知线电力通信终端说样广播信息忽略
具认知力通信终端获新频谱规外外项重工作完成频谱空洞检测频谱空洞检测实际完成周边通信环境认知根检测频谱空洞特性(空洞带宽等)获频谱法规通信终端产生出合理该空洞具体行
工作非授权频段线局域网通信终端例说明认知线电应场景然认知线电定义出认知线电概念涵盖面极宽应场景绝仅限
认知线电技术宽带线通信系统中着广泛途基IEEE 80211bgIEEE 80211a线局域网设备工作24 GHz5 GHz需授权频段然频段受包括蓝牙设备HomeRF设备微波炉绳电话工业设备干扰具认知功线局域网通接入点频谱间断扫描识出干扰信号结合信道通信环境质量认知适应选择佳通信信道外具认知功接入点间断正常通信业务进行时通认知模块工作频段更宽频段进行扫描分析快发现非法恶意攻击终端样技术进步增强通信网络安全性样样认知技术应类型宽带线通信网络中会进步提高系统性安全性
4认知线电关键技术
41频谱检测技术
认知线电技术够感知分析特定区域频段找出适合通信频谱空洞利某特定技术处理影响已通信系统前提进行工作认知线电工作流程(图1示)某域应认知线电技术先进行工作该线信道环境感知频谱检测空洞搜寻判定
果查频段分3种情况：黑空存高功率干扰灰空存低功率干扰白空：仅存环境噪声量包括热噪声瞬时反射脉噪声等频谱检测务查找适合认知线电业务白空时工作频段黑空(灰空)白空间转变进行监测
认知线电技术中进行频谱检测观察频段进行干扰温度估计干扰温度作频段干扰功率谱密度设定量化理线环境中干扰问题针谱估计干扰温度出干扰温度界限通干扰温度界限观测频谱空洞进行选择超界限干扰噪声符合通信求频谱
通常接收端进行干扰温度测量搜寻频谱空洞获信息通系统预设反馈信道传送发送端进行发射功率控制处理动态频谱理发射端接收端采适应波束成型技术进步补充干扰控制
认知线电感知线环境工作中进行高效线频谱估计分析关键技术频谱分析项相较成熟数字信号处理技术年发展形成众具特色算法理认知线电技术中利已算法进行线环境观测然认知线电特殊性质需定通信区域空间领域较宽频域时域进行频谱分析求众频谱分析算法进行合适选取改动
认知线电技术中通常采频谱分析算法窗谱估计算法该算法离散扁球体序列作正交窗函数种窗函数滤波信号限采样点时傅氏变换具极佳量集中特性种接优方法种特性降低频谱估计方差时会影响估计偏差具较计算性应价值
认知线电领域进行干扰温度估计时够更感知测区域干扰温度频谱分析算法中引入空间概念通常会量传感器分布该区域进行线信号接收传感器指专门设置接收天线认知线电系统线户终端通传感器进行线环境探测区分线信号空间差异针传感器测量组接收信号恰频谱分析算法应特定空间时间频段干扰温度估计值该干扰温度估计量设定干扰温度门限较连续时段均门限求认出现频谱空洞
认知线电中频谱检测技术仅仅频谱空洞搜寻判定中起关键作系统通信程中需负责频谱状态实时监测频谱监测方面搜集线环境统计资料高层频谱理提供辅助方面进行实时干扰温度估计系统发射端进行功率控制提供必参数支持某情况监测频谱够较准确判定射频信号碰撞事件认知线电系统够快进行动退避避免影响原授权户通信
42适应频谱资源分配技术
解决频谱资源日益紧张目前固定分配频谱利率较低矛盾求找更效方法充分感知利线频谱资源基途径两条：提高频谱利率已授权户频谱资源充分利减少浪费二提高系统通信效率已获频率资源资源综合优化分配进提高利率
正交频分复(OFDM)系统目前公认较容易实现频谱资源控制传输方式该调制方式通频率组合裁剪实现频谱资源充分利灵活控制分配频谱时间功率空间等资源适应频谱资源分配关键技术：载波分配技术子载波功率控制技术复合适应传输技术
(1)载波分配技术
认知线电具感知线环境力通干扰温度测量确定频谱空洞子载波分配根户业务服务质量求分配定数量频率资源检测空洞资源确定带定机性OFDM系统具裁剪功通子载波(子带)分配规律连续频谱资源进行整合定公原频谱资源分配户实现资源合理分配利
(2)子载波功率控制技术
认知线电中利已授权频谱资源前提影响授权户正常通信非授权户必须控制发射功率避免授权户造成干扰功率控制算法典注水算法基础系列派生算法算法追求功率控制完备性收敛性造成干扰认知线电较通率达实时性求事实功率控制算法子载波分配算法密分判断某子载波否时历史(授权状况)现状(空间距离衰落)做出判断时需计算出分配功率
(3)复合适应传输技术
该技术OFDM认知线电思想系列适应传输技术结合达线电资源合理分配充分利寻求保证服务质量**率佳工作状态需综合应动态子载波分配技术适应子载波功率分配技术适应调制解调技术适应编码技术等系列适应技术形成优化适应算法根子载波干扰温度通适应调整通信终端工作参数达佳工作状态设计合理适应传输技术幅提高频谱资源利率通信性
43认知线电频谱理
具认知线电功线户非授权状况频率必引起线电理部门注意必定会力求种频率纳入理提高频谱利效率角度出发应该压制基认知功非授权频谱解决方法改变频谱理思想频谱理规适应户需求技术发展
研究者提出频谱划分新设想：频谱应状况干扰影响频谱划分3等级：严格分配理(干扰)定程度供非授权(定干扰)限制非授权现阶段绝数频谱第等级严格分配进行理频谱利率较低新频谱理思想规应该第等级频谱占范围缩第二第三等级频谱占范围扩提高频谱利率样频谱分3部分第部分非授权户占第二部分适占第三部分受限制占第二第三部分认知线电利频谱目前种基认知线电频谱理思想理规研究中
5结束语
认知线电核心思想线通信设备具发现频谱空洞合理利发现空洞力值指出认知线电技术引起学术界相关注工业界应实际通信系统产生浓厚兴趣报道称具认知功线局域网产品两年问世真正实现认知线电技术需解决包括频谱检测技术适应频谱资源分配技术线频谱理技术等关键技术问题
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着线通信技术发展线户数量急剧增加频谱资源变越越紧张充分提高线频谱利率成亟解决技术问题认知线电技术提出种新解决思路核心思想线通信设备具发现频谱空洞合理利发现空洞力然认知线电技术更灵活方式理限频谱资源真正应实际通信系统需解决包括频谱检测适应频谱资源分配线频谱理等关键技术问题
1认知线电技术提出背景
着线通信技术飞速发展频谱资源变越越紧张尤着线局域网(WLAN)技术线域网络(WPAN)技术发展越越通技术线方式接入互联网网络技术非授权频段(UFB)工作WLANWRAN线通信业务迅猛发展网络工作非授权频段已渐趋饱外通信业务(电视广播业务等)需通信网络提供定保护免受通信业务干扰提供良保护频率理部门专门分配特定授权频段(LFB)供特定通信业务授权频段相非授权频段频谱资源少(部分频谱资源均做授权频段)相数量授权频谱资源利率非常低出现样事实：某部分频谱资源相较少承载业务量外已授权频谱资源利率低出样结：基目前频谱资源分配方法相部分频谱资源利率低
解决频谱资源匮乏问题基思路量提高现频谱利率提出认知线电概念认知线电基出发点：提高频谱利率具认知功线通信设备某种伺机(Opportunistic Way)方式工作已授权频段然定建立已授权频段没少通信业务活动情况种空域时域频域中出现利频谱资源称频谱空洞认知线电核心思想线通信设备具发现频谱空洞合理利力
非授权通信户通方式已授权频谱资源时必须保证通信会影响已授权户通信做点非授权户必须定规发现频谱空洞认知线电中样规某种机器理解形式(XML语言)加载通信终端规时根频谱利情况通信业务负荷分布等进行断调整通规频谱理者更灵活方式理宝贵频谱资源
2认知线电历史概念
介绍出提高频谱利率充分利检测频谱空洞认知线电技术项应作全新概念提出认知线电涵盖面更广泛认知线电基定义纳[1]：认知线电(Cognitive Radio)感知外界通信环境智通信系统认知线电系统通学断感知外界环境变化通适应调整身部通信机理达环境变化适应样适应调整方面改进系统稳定性方面提高频谱资源利率总结出认知线电具特点：
*环境感知力
*环境变化学力
*环境变化适应性
*通信质量高性
*频谱资源充分利
*系统功模块重构性
认知线电MITRE公司顾问瑞典皇家技术学院Joseph Mitola博士生GERALD Q MAGUIRE JR教授1999年8月IEEE Personal Communications杂志明确提出[2]软件线电进步扩展认知线电采线电域基模型方法控制线电频谱规(射频频段空中接口协议空间时间模式等)进行推理通线电知识表示语言(RKRL)[3]表述线电规设备软件模块电波传播特性网络户需求应场景知识增强业务灵活性软件线电技术更满足户需求
没成熟认知线电标准法规线业界强烈感觉认知线电成波击性技术革新浪潮IEEE2004年10月正式成立IEEE 80222工作组——线区域网络(WRAN)工作组计划2007年半年完成标准化工作目研究基认知线电物理层媒体访问控制(MAC)层空中接口干扰方式已分配电视广播频段分配电视广播甚高频超高频(VHFUHF)频带(北美54 MHz～862 MHz)频率作宽带接入频段
美国联邦通信委员会(FCC)2003年12月相美国电波法FCC规第15章(FCC rulePart15)公布修正案明确具备认知线电功途未获许线终端需线许现线频带FCC推进智线技术时放宽关限制
针认知线电美国国防部提出代线通信(XG)项目2004年该项目进入第三研究阶段投资1 700万美元预计2006年底完成第三阶段研究该项目研制开发频谱捷变线电(Spectrum Agile Radios)线电台法规范围动态适应变化线环境干扰正常工作线电台前提接入频谱范围扩10倍
3认知线电应场景
考虑工作非授权频段(免授权国家信息基础设施频段)线通信终端(遵循WiFi规范)工作免授权国家信息基础设施(UNII)频段通信业务非常繁忙(达饱状态)样工作频段已法满足通信终端新业务请求鉴种情况频谱理机构(FCC)选择利率较低已授权频段(电视广播频段中干未频谱资源)样频段暂时支持非授权频段未接入系统通信业务频谱理机构生成套已授权频段法规(法规指导约束着非授权户合理授权频段)法规频谱理机构某种机器理解方式发布
具认知线电功非授权户定期搜索载相应频谱法规获新频谱法规非授权户根法规身通信机制进行调整(通信机制包括：工作频段发射功率调制解调方式址接入策略等)周边通信终端快获更新法规获新法规终端获法规广播出然具备认知线电力通信终端说样广播信息忽略
具认知力通信终端获新频谱规外外项重工作完成频谱空洞检测频谱空洞检测实际完成周边通信环境认知根检测频谱空洞特性(空洞带宽等)获频谱法规通信终端产生出合理该空洞具体行
工作非授权频段线局域网通信终端例说明认知线电应场景然认知线电定义出认知线电概念涵盖面极宽应场景绝仅限
认知线电技术宽带线通信系统中着广泛途基IEEE 80211bgIEEE 80211a线局域网设备工作24 GHz5 GHz需授权频段然频段受包括蓝牙设备HomeRF设备微波炉绳电话工业设备干扰具认知功线局域网通接入点频谱间断扫描识出干扰信号结合信道通信环境质量认知适应选择佳通信信道外具认知功接入点间断正常通信业务进行时通认知模块工作频段更宽频段进行扫描分析快发现非法恶意攻击终端样技术进步增强通信网络安全性样样认知技术应类型宽带线通信网络中会进步提高系统性安全性
4认知线电关键技术
41频谱检测技术
认知线电技术够感知分析特定区域频段找出适合通信频谱空洞利某特定技术处理影响已通信系统前提进行工作认知线电工作流程(图1示)某域应认知线电技术先进行工作该线信道环境感知频谱检测空洞搜寻判定
果查频段分3种情况：黑空存高功率干扰灰空存低功率干扰白空：仅存环境噪声量包括热噪声瞬时反射脉噪声等频谱检测务查找适合认知线电业务白空时工作频段黑空(灰空)白空间转变进行监测
认知线电技术中进行频谱检测观察频段进行干扰温度估计干扰温度作频段干扰功率谱密度设定量化理线环境中干扰问题针谱估计干扰温度出干扰温度界限通干扰温度界限观测频谱空洞进行选择超界限干扰噪声符合通信求频谱
通常接收端进行干扰温度测量搜寻频谱空洞获信息通系统预设反馈信道传送发送端进行发射功率控制处理动态频谱理发射端接收端采适应波束成型技术进步补充干扰控制
认知线电感知线环境工作中进行高效线频谱估计分析关键技术频谱分析项相较成熟数字信号处理技术年发展形成众具特色算法理认知线电技术中利已算法进行线环境观测然认知线电特殊性质需定通信区域空间领域较宽频域时域进行频谱分析求众频谱分析算法进行合适选取改动
认知线电技术中通常采频谱分析算法窗谱估计算法该算法离散扁球体序列作正交窗函数种窗函数滤波信号限采样点时傅氏变换具极佳量集中特性种接优方法种特性降低频谱估计方差时会影响估计偏差具较计算性应价值
认知线电领域进行干扰温度估计时够更感知测区域干扰温度频谱分析算法中引入空间概念通常会量传感器分布该区域进行线信号接收传感器指专门设置接收天线认知线电系统线户终端通传感器进行线环境探测区分线信号空间差异针传感器测量组接收信号恰频谱分析算法应特定空间时间频段干扰温度估计值该干扰温度估计量设定干扰温度门限较连续时段均门限求认出现频谱空洞
认知线电中频谱检测技术仅仅频谱空洞搜寻判定中起关键作系统通信程中需负责频谱状态实时监测频谱监测方面搜集线环境统计资料高层频谱理提供辅助方面进行实时干扰温度估计系统发射端进行功率控制提供必参数支持某情况监测频谱够较准确判定射频信号碰撞事件认知线电系统够快进行动退避避免影响原授权户通信
42适应频谱资源分配技术
解决频谱资源日益紧张目前固定分配频谱利率较低矛盾求找更效方法充分感知利线频谱资源基途径两条：提高频谱利率已授权户频谱资源充分利减少浪费二提高系统通信效率已获频率资源资源综合优化分配进提高利率
正交频分复(OFDM)系统目前公认较容易实现频谱资源控制传输方式该调制方式通频率组合裁剪实现频谱资源充分利灵活控制分配频谱时间功率空间等资源适应频谱资源分配关键技术：载波分配技术子载波功率控制技术复合适应传输技术
(1)载波分配技术
认知线电具感知线环境力通干扰温度测量确定频谱空洞子载波分配根户业务服务质量求分配定数量频率资源检测空洞资源确定带定机性OFDM系统具裁剪功通子载波(子带)分配规律连续频谱资源进行整合定公原频谱资源分配户实现资源合理分配利
(2)子载波功率控制技术
认知线电中利已授权频谱资源前提影响授权户正常通信非授权户必须控制发射功率避免授权户造成干扰功率控制算法典注水算法基础系列派生算法算法追求功率控制完备性收敛性造成干扰认知线电较通率达实时性求事实功率控制算法子载波分配算法密分判断某子载波否时历史(授权状况)现状(空间距离衰落)做出判断时需计算出分配功率
(3)复合适应传输技术
该技术OFDM认知线电思想系列适应传输技术结合达线电资源合理分配充分利寻求保证服务质量**率佳工作状态需综合应动态子载波分配技术适应子载波功率分配技术适应调制解调技术适应编码技术等系列适应技术形成优化适应算法根子载波干扰温度通适应调整通信终端工作参数达佳工作状态设计合理适应传输技术幅提高频谱资源利率通信性
43认知线电频谱理
具认知线电功线户非授权状况频率必引起线电理部门注意必定会力求种频率纳入理提高频谱利效率角度出发应该压制基认知功非授权频谱解决方法改变频谱理思想频谱理规适应户需求技术发展
研究者提出频谱划分新设想：频谱应状况干扰影响频谱划分3等级：严格分配理(干扰)定程度供非授权(定干扰)限制非授权现阶段绝数频谱第等级严格分配进行理频谱利率较低新频谱理思想规应该第等级频谱占范围缩第二第三等级频谱占范围扩提高频谱利率样频谱分3部分第部分非授权户占第二部分适占第三部分受限制占第二第三部分认知线电利频谱目前种基认知线电频谱理思想理规研究中
5结束语
认知线电核心思想线通信设备具发现频谱空洞合理利发现空洞力值指出认知线电技术引起学术界相关注工业界应实际通信系统产生浓厚兴趣报道称具认知功线局域网产品两年问世真正实现认知线电技术需解决包括频谱检测技术适应频谱资源分配技术线频谱理技术等关键技术问题
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