认知无线电与多维度的协作通信

基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)课题(2007CB307101、2007CB307106)

    认知无线电和协作通信都是当前理论研究及产业界关注的热点技术。经过10年的研究，认知无线电技术已经由单纯的“无线电”视角向“网络与系统”的框架转变。而协作通信也在从早期的协作中继向更多维度的广泛协作前进。在技术发展过程中，认知无线电和协作通信的研究者都发现，对方的技术思路与概念对突破自身的技术发展“瓶颈”、提高技术实现效率具有重要参考作用，所以二者的结合将成为技术发展的必然趋势。

1 从认知无线电到认知无线网络
    认知无线电(CR)的概念最早由瑞典人Mitola博士于20世纪90年代末期提出[1]。自此之后的10年间，认知无线电逐渐成为国际无线通信学术界的研究热点之一。在研究过程中，不同组织和团体对认知无线电也提出了各自的定义。综合不同标准化及工业界组织(如ITU-R、IEEE、SDR论坛)及工业界主要公司(如Intel、Alcatel-Lucent、France Telecom等)的定义，可以发现，认知无线电系统应该具备检测、分析、调整、推理、学习等能力。事实上，这些具体功能就是一个认知循环的主要组成部分，这一过程中的主要特征与属性包括：

• 有意识的。认知无线电系统能够侦测、存储、回忆并传播关于射频环境、地理信息和环境背景的信息。
• 可调整的。在取得环境信息的基础上，认知无线电系统能够对系统关键参数(如工作频率、功率、调制方式等)进行调整，以适应环境的要求。
• 自动化的。认知无线电系统无需用户干涉，能够自行做出各种情况的调整。
• 自适应的。认知无线电系统能够根据用户的行为和选择，调整自身的工作模式与策略，通过推理和学习，更好地适应和满足用户需要。

    关于认知无线电技术框架[2]的典型描述如图1所示。

    可以发现，典型的认知无线电技术框架均包含两个主要组成部分：

• 认知引擎
• 可重配置的无线收发信机

    其中，可重配置的无线收发信机是认知无线电系统的基础，通过可重配置特性，实现认知无线电系统中可调整与自动化的特征。

    在实现可重配置特性的过程中，软件定义无线电(SDR)技术可以发挥重要作用。在SDR系统中，由于无线收发信机的主要组成部分可以通过软件定义，则系统可在同一个硬件平台上，仅通过软件配置即可实现系统整体的重配，此特性对提高系统重配效率、降低全寿命成本具有重要意义。同时，必须指出，SDR技术并不是实现认知无线电技术的必要条件。传统的硬实现方式架构下，通过同时实现多模式、多频段的硬件平台，也可在一定程度上满足可重配置的工程实现需要。

    认知引擎(CE)将定义认知无线电系统获取、分析外界环境信息，并通过推理、学习，调整自身工作模式与策略的框架与机制，是认知无线电系统的核心，集中体现认知无线电有意识和自适应的特征属性。认知引擎的主要构成要素包括环境监测模块和推理学习模块。这其中，推理学习模块主要体现认知无线电的自适应特征，环境监测模块是认知引擎的基础部分，通过侦测无线环境或者从其他数据源获得无线环境的信息，体现认知无线电系统的有意识的特征。该部分也一直是认知无线电领域的研究热点，重点集中于对无线电频谱使用情况的侦测[3]。

    无线电频谱侦测的目的在于找出适合通信的“频谱空洞”，在不影响已有通信系统的前提下伺机工作。长期以来，无线电频谱侦测的基本出发点都基于“全能型”无线电终端，由终端对频谱进行扫描，并识别频谱空洞。早期的检测方法有采用导频信号和周期平稳过程特征检测等。目前的仿真和分析表明，采用合作分集的方法可达到上述的可靠检测概率要求。合作侦听允许多个认知用户之间相互交换侦听信息，这可显著提高频谱的侦听和检测能力。采用物理层和MAC层联合侦听的跨层设计方法也可极大地提高频谱侦听能力。

    回顾10年来的研究成果，可以发现，国际学术界和工业界对认知无线电技术的研究思路经历了一个发展变化的过程，即：由单纯的“无线电”视角向“网络与系统”的框架转变。在传统的“无线电”视角之下，认知无线电系统所要求的有意识的、可调整的、自动化和自适应的特征，需要由“全能型”的无线收发信机(支持所有模式所有频段)来侦测、发现并协商适合的工作频率、波形及协议。然而，随着研究工作的开展与深入，这一传统“无线电”视角逐渐暴露了局限性：

• 所谓“全能型”收发信机的实现成本、复杂度、功耗等因素使其在现实中很难实现。
• 仅仅关注了无线链路底层，而忽视了不同网络节点之间的交互及协作。
• 无法反映用户业务与应用对无线系统的影响与需求。

    所以，认知无线电的研究视角逐渐从无线链路的底层功能扩展到了更高层次的协议和网络设计，认知无线网络(CWN)已逐渐成为认知无线电未来研究和产业化方向的共识。在认知无线网络的框架内，无线网络将根据其与周边多维环境(网络、协议、应用等)交互信息的情况，调整其网络特性，实现最优的系统性能。

2 多维度协同的移动通信
    移动通信技术发展的历史表现为一个发现和利用新的无线资源维度、提高系统整体频谱效率的过程。20世纪70年代出现的蜂窝技术，使频率复用成为可能，扩展了频率资源的空间。而20世纪80年代开始的数字化过程，则开启了时间轴的资源空间。世纪之交出现的多输入多输出(MIMO)技术，启动了空间资源维度的利用。可以说，这3次资源维度的开辟都极大地推动了移动通信技术的发展。近年来，随着大量新技术的逐渐引入，物理层单链路性能得到了迅速提高，图2反映了一些典型3.5G技术的物理层链路性能。

    以进展数据优化(EV-DO)、高速数据分组接入(HSPA)和IEEE802.16为代表的3.5G移动通信技术，已经实现了相当高的链路性能，其链路性能已经基本达到仙农极限的3 dB界，通过传统技术手段，进一步提升链路性能的空间已经相当有限。而进一步的性能突破将有赖于新的无线资源维度的发掘，而开拓新的无线资源维度则依赖于物理学和信息论领域的理论创新。在新的理论突破实现之前，为了挖掘系统潜力，提升系统整体性能，对既有技术进行合理的组合及协同，将成为必然的选择。在多个资源维度上的协作通信，将是提升系统的有效手段，并将逐渐成为工业界关注的热点。表1总结了在不同资源维度上的协作通信的协作元素、目的及典型的技术方案。

    从表1可以发现，大部分协作通信技术都是建立在对用户业务类型、所处无线环境特征等信息充分了解的基础之上，只有对相关背景信息有了充分了解，才能完成不同元素间的智能化协同，而对这些背景信息的感知与采集只能通过认知无线电和认知无线网络技术来实现。可以说，未来多维度的协作移动通信对认知无线电技术有着天然的需求。

3 认知技术与多维度协同的结合
    综合所述，认知无线电技术和协作通信技术在各自发展的过程中都发现，吸纳对方的技术思路能够更好地实现自身的技术目标，所以二者的结合成为必然趋势。

3.1 通过协作增强认知能力
    如前文所述，传统的频谱侦测技术对无线收发信机提出了很高的要求，要求其具有“全能型”特性，支持广泛的无线电频段并能识别大量不同的无线接入技术，这一要求将极大地提高认知无线电终端设备的复杂度和成本。同时，大范围的频谱侦测过程也将耗费大量时间，造成服务时延，并增大终端耗电。另一方面，由于无线通信的特殊环境，信号传播过程中存在多径、阴影效应等干扰因素，因此个别认知用户由于特殊的地理位置可能会出现较低的检测概率，从而加剧了对于授权用户的干扰。这种情况下，协作认知技术能够在很大程度上提高频谱和环境背景信息的侦测效率，提高侦测的可靠性并降低成本。具体又可分为认知用户间的协作和用户与网络间的协作[4]。

    如图3所示，由于无线信道存在多径、阴影效应等因素，单一认知用户的检测在某些特殊情况下性能会很差。由于阴影效应，认知用户1会错误检测到当前频段空闲，然后会使用该频段，从而对授权接收用户造成干扰。解决这个问题的方法是采用协作检测，图3中通过认知用户1和2的协作检测，虽然有阴影效应的影响，还是能够比较准确的检测出当前频段的使用情况[5-6]。

    同时，为了改善大范围的频谱侦测过程的时延、耗电等问题，网络与认知用户间的协作也逐渐成为研究的重点。认知导频信道(CPC)的概念被作为一个关键的激活器提出(如图4所示)，在学术界和工业界引起了广泛关注。

    认知导频信道将在异构无线网络环境下，支持网络和用户终端设备的重配置管理，其核心思路类似于电话运营商提供的电话簿功能，用户开机后或者产生业务需求时，通过监听广播的认知导频信道，获取当地的运营商、无线接入技术和相关频点信息，根据这些信息自适应的确定准备接入的运营商网络、频点及使用的无线接入技术。通过网络和认知用户间的配合，可以极大地简化认知无线电终端在频谱侦测方面的复杂度与开销，提高认知无线电系统的整体效率。同时，CPC的概念还为异构网络资源的综合利用提供了新视角与可能性[7-8]。

3.2 基于认知的协作系统
    通过引入认知技术，智能化的协作异构网络将可能逐渐成为现实，从而推动异构网络中各要素间的充分协同，利用智能的联合资源管理提高无线资源的使用效率。为了在异构网络间进行联合资源管理和网络自组织、自配置，网络环境信息和用户终端的状态与行为特征，都将是必不可少的基础。可以说，没有环境背景信息的认知，就无法在异构无线网络中很好的进行无线资源管理与自组织自配置。在此意义上，认知无线电技术有可能成为异构网络协同与自组织、自配置的重要关键技术。尤其对于不同网络层次间的协作、不同无线接入技术间的协作，以及不同频谱资源间的协作，网络对用户环境背景信息的充分认知以及网络与用户间的智能交互，将对提升系统整体运营效率至关重要，基于网络与用户协作的认知技术将在上述场景中发挥日益重要的作用，如文献[9]提出的基于认知导频信道的联合资源管理框架。

    通过认知导频信道或其他类型的公共频谱协调信道(CSCC)提供的基本信息，认知终端与网络配合完成对无线环境背景信息的感知，并将所感知到的无线环境背景信息及业务流量特征反馈给网络，由网络根据这些感知信息，在不同的无线接入技术之间进行联合资源管理、负荷均衡及移动性的优化，最终实现系统整体性能和用户体验的最优[10-17]。

4 结束语
    认知无线电技术与多维度的协作通信都是目前学术界研究的热点，也受到了工业界的广泛关注。由于物理层链路技术面临进一步提升性能的瓶颈，通过不同网络元素间的广泛协作提高系统整体性能必将成为下一阶段移动通信系统增强的主要途径。在这一过程中，对环境背景信息和用户业务特征的广泛感知将是智能化协作与联合资源管理的重要基础，所以探索认知无线电及认知网络技术与多维度协作通信的结合具有充分的理论和现实意义，将成为未来一段时期的研究、标准及产业热点。

5 参考文献
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收稿日期：2009-11-09

[摘要] 认知无线电技术已经向“网络与系统”的框架转变，为增强认知能力、降低认知成本，协作手段成为必然。物理层链路技术面临进一步提升性能的“瓶颈”，通过不同网络元素间的多维度协作提高系统整体性能是下一阶段移动通信系统增强的主要途径。在这一过程中，对环境背景信息和用户业务特征的广泛感知是智能化协作与联合资源管理的重要基础。认知无线电与多维度协作通信的结合将成为技术发展的必然趋势。

[关键词] 认知无线电；多维度协作通信；协作认知；认知无线网络；联合资源管理

[Abstract] The view of cognition is being upgraded from cognitive radio to cognitive network and system. The cooperation becomes a powerful tool to improve the capability of cognition and lower the cost. Meanwhile, the performance of physical link techniques is close to the theoretical limitation. Further system performance improvement should rely on the multi-dimension cooperation among different entities in the entire system. The awareness of context and characteristics of radio environments and users’ traffic will be the foundation of both cooperative communications and joint radio resource management. Therefore, the combination of cognitive radio and multi-dimension cooperative communications is expected to be the future direction of mobile communications.

[Keywords] cognitive radio; multi-dimension cooperative communications; cognitive wireless network; joint radio resource management