量子遗传算法用于认知无线电频谱分配的应用研究 第7页
认知无线电频谱分配研究
3.1 认知无线电系统
3.1.1 认知无线电原理
认知无线电的概念由Josepb Mitola博士首先提出，他在1999年发表的一篇学术论文[3]中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表示语言(Radio Knowledge Representation Language，RKRL)”的新语言提高个人无线业务的灵活性。
FCC定义认知无线电是一种可通过与其运行环境交互而改变其发射机参数的无线电[4]。该定义目前大家比较认同。
认知无线电是依靠人工智能的支持，感知外部无线环境、智能调整无线电参数并根据一定的学习和决策算法来实时、自适应地改变系统工作参数，以最佳满足外部环境需求[21]，动态地检测和有效地利用空闲频谱的无线电[22],期望实现高可靠性的通信并最大化频谱利用率[20]。
认知无线电(cognitive radio，CR)技术近年来引起了无线通信领域的极大关注。通常，CR具有如下基本功能：感知功能(包括RF频谱感知、地理环境感知、用户需求感知等)、学习功能和自适应参数调整功能。
认知无线电系统通过分析外部环境提供的激励来认识它通信的任务内容，然后对接收和发送的内容进行分析，再选择合适的解决方式，目的是为了实现通信的高可靠性和频谱的高利用率。
目前,国内外对认知无线电技术的研究已全面展开，涉及的研究方向包括认知无线电的协议体系与网络架构、认知无线电频谱检测技术、认知无线电媒质接
入技术、认知无线电频谱资源分配技术等等，可以说，认知无线电技术必将成为
21世纪无线通信领域的热门技术，得到广泛的关注和长足的发展。
从比较完整的意义上一般认为，认知无线电系统应该具备检测、分析、调整等能力网。事实上，这些具体功能就是一个认知循环的主要组成部分。现简要论述各部分功能。
(1)检 测
由特殊应用环境所决定，认知无线电必须具备精确的无线频谱检测能力，必须在可使用的全频段范围内多文度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。由于
是免许可使用，认知无线电必须具备迅速发现主用户的能力，在工作过程中时刻
检测主用户是否处于活动状态，从而确保不对其产生千扰。
(2)分 析
认知分析包括对自身性能、网络内部状态、外部相关数据(包括频谱使用、
策略使用等)和用户自身需求等相关知识的分析。如果说检测是信息的获取，那
么分析就是对相关信息的初步处理。认知无线电设备通过所获取的频谱检测结果
分析主用户的位置、使用的频点和发射时间，同时分析可用频点位置、可用带宽、
信道状况、自身传输可能会对其他用户产生的影响以及完成业务传输所需的带宽
和时间等等。
(3)调 整
调整能力是完成传输的关键，根据检测和分析的相关结果，认知无线电设备通过先进的功率控制技术、不同的编解码以及调制技术，选择合适的频点和发射时机，从而成功地完成传输。这就要求认知无线电设备能够在较宽的频段内实现不同传输方案之间的切换，并且在突发事件发生后能够及时暂停或恢复传输，确保在不千扰首要用户的情况下获取最大限度的传输能力。
一个认知无线电系统基本的认知过程要经历3个基本步骤：无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，它们的顺序执行使得系统的认知功能得以实现。认知无线电系统传输信号时，首先要分析无线传输场景，判断干扰温度的大小同时检测出频谱空穴和估计一些传输参数统计量，进行信道状态估计及其容量预测，接收机把检测到的信道特征的传输参数反馈到发送端，基于这些参数，发送端通过某些策略来实现功率控制和频谱管理功能，使系统的传输性能达到最佳。
一个一个认知无线电系统一般由五个部分模块组成：频谱生成模块、信道传输模块、信道检测模块、频谱分配模块和功率控制模块，各模块的顺序执行，完成了系统的一个认知过程。
(1)频谱生成
频谱生成模块类似于信号源，将一定带宽的频带随机划分为带宽不等的多个子频段，从多个子频段中随机地选择出几个，将信号分配给它们，被分配了信号的频段表示了该信道被某个用户(主用户或次用户)占用，其他用户不能使用，
而未分配信号的频段则说明了在该频段上没有信号传输，为空闲频谱，可以被认
知用户使用。一般情况下，在相同时间段内，信道被占用的时间长短并不固定，不同时刻信道的占用情况是不同，这体现了认知系统环境的时变性。
(2)传输信道
无线信道包含了多径传播、时延扩展、衰落以及多普勒效应等特性，在一般的无线传输信道模型中常使用的信道主要有高斯白噪声信道、瑞利多径衰落信道和莱斯衰落信道。瑞利信道和莱斯信道都是衰落信道，信号经过信道后其包络服从瑞利分布和莱斯分布。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。莱斯信道较瑞利信道则是信道中多存在一个例如直射信号(LoS)的主要分量。高斯自噪声信道是理想信道，它只包含了高斯白噪声，信道特性最为简单，也是系统仿真中最常用的信道模型。
(3)频谱检测
一般的频谱区域可分成3种类型：a)黑色区域，常被高能量的局部干扰占用；b)灰色区域，在部分时间被低能量干扰占用；c)白色区域，只有环境噪声而没有射频干扰的占用。一般情况下，只有白色区域和有限度的灰色区域可被等待服务的用户并没有使用的频带。认知无线电系统中频谱检测的主要作用是尽量快而准确地确定频谱空穴，也就是侦测出频谱区域中的白色区域和有限度的灰色区域。判断频谱是否可以为认知无线电用户使用有两种模型：一种是“O，1模型”，就是认知无线电用户通过检测主用户信号来判断主用户当前是否占用频谱，若某频段已经被主用户占用，则该频段对认知用户来说是不可用的，赋予该频段“0”标志，若某频段未被占用，则赋予“l”标志。另一种是“干扰温度模型”，认知
用户认为如果它在某个频段上传输会导致干扰温度超过预设的干扰温度限，该频
段是不可用的，如果未超过干扰温度限，则该频段是可用的。在“0，l模型”中，
当在某个频段检测到主用户的信号时，认知无线电用户释放该频段：在干扰温度
模型中，当认知无线电用户发现在其干扰范围内的某个频段的干扰温度超过了干
扰温度限时．认知无线电用户才释放该频段。
用于频谱检测的方法有：能量检测、循环平稳信号的谱相关检测和本地振荡
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