眾所周知，無(wú)線電頻譜是一種寶貴的自然資源。雖然在理論上3000GHz以下的電磁頻譜均被稱為無(wú)線電頻譜，但由于技術(shù)的限制，目前人類僅僅劃分出9kHz到400GHz的使用頻段。實(shí)際上，軍用的頻段集中在40GHz以下，而民用頻段主要集中在3GHz以下。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，新的無(wú)線通信業(yè)務(wù)層出不窮，用戶數(shù)量不斷增加，頻譜資源變得日益緊缺。為了解決這一問(wèn)題，人們先后發(fā)明了多種先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)以及多天線技術(shù)、鏈路自適應(yīng)等新技術(shù)。這些技術(shù)從不同的角度提高了信道容量，取得了較好的效果。然而，由于受到香農(nóng)極限的限制，人們不可能無(wú)限制地提高信道容量。雖然無(wú)線電頻譜可以重復(fù)使用，但就某個(gè)頻點(diǎn)或頻段來(lái)說(shuō)，在一定的時(shí)域、空域是有限的，是不能夠重復(fù)使用的。與頻譜資源短缺形成鮮明對(duì)比的卻是現(xiàn)有頻譜利用率的極其低下。

圖l為加利福尼亞大學(xué)伯克利分校測(cè)試的0—6GHz頻譜利用率。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在全球授權(quán)頻段，即便是信號(hào)傳播特性較好、需求非常緊張的300MHz到3GHz頻段內(nèi)，頻譜利用率也不到6％；在3—4GHz頻段，頻譜利用率降低為0.5％；在4GHz以上，頻率利用率更低。因此，如何對(duì)頻譜資源進(jìn)行有效共享，充分提高頻譜利用率成為亟待解決的問(wèn)題。在這樣的背景下，認(rèn)知無(wú)線電(CR，Cognitive Radio)技術(shù)提出了一種新的解決思路一通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜共享(DSS，DynamicSpectrum Sharing)來(lái)提高無(wú)線頻譜的利用效率。

2 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)

1999年，軟件無(wú)線電奠基人、瑞典皇家理工學(xué)院J．Mitola博士在軟件無(wú)線電(SR，Software Radio)的基礎(chǔ)上提出了認(rèn)知無(wú)線電的概念。J.Mitola在其博士論文和隨后的一系列論述中，對(duì)CR進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述。

CR的概念一經(jīng)提出就引起了世界各國(guó)眾多學(xué)者的密切關(guān)注。IEEE、FCC、SDR論壇等機(jī)構(gòu)都從不同的角度對(duì)CR進(jìn)行了描述和定義。這些定義實(shí)質(zhì)上大同小異，概括來(lái)說(shuō)：認(rèn)知無(wú)線電能夠不斷感知周圍電磁環(huán)境和地理環(huán)境的變化，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和自我的認(rèn)知，采用無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言，與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流，在不干擾授權(quán)用戶的條件下，自適應(yīng)地調(diào)整其自身的通信機(jī)理(通信頻率、調(diào)制方式、發(fā)送功率等參數(shù))來(lái)達(dá)到對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整不僅提高了無(wú)線頻譜的利用效率，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的吞吐量、信噪比、穩(wěn)定性等性能。

CR的最大優(yōu)勢(shì)在于它可以不用專門授權(quán)就工作在授權(quán)用戶的工作頻段上，對(duì)所謂的“閑置”頻譜進(jìn)行二次利用。所謂授權(quán)用戶(AU，Authorized User)也叫主用戶(PU，Primary User)，是指經(jīng)過(guò)頻率管理部門授權(quán)，合法使用某一頻段的傳統(tǒng)無(wú)線電用戶；與授權(quán)用戶對(duì)應(yīng)的稱為感知用戶(SU，Sense User)也叫次用戶(SU，Second User)，是指不經(jīng)過(guò)頻率管理部門專門授權(quán)，就可以使用已授權(quán)于主用戶的頻段的認(rèn)知無(wú)線電用戶。CR主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 頻譜感知技術(shù)

CR能夠感知、適應(yīng)和學(xué)習(xí)周圍的電磁環(huán)境，發(fā)現(xiàn)頻率空穴(Frequency Hole)，熟知無(wú)線信號(hào)的特征，并合理利用這些結(jié)果，這就是所謂的頻譜感知(Spectrum Awareness)技術(shù)，也是CR區(qū)別與其他無(wú)線電的根本之所在。所謂頻率空穴是指被分配給某授權(quán)用戶，但在特定時(shí)間和具體位置該用戶并沒(méi)有使用的頻帶。

CR頻譜感知技術(shù)主要有兩種類型：主動(dòng)感知和被動(dòng)感知。主動(dòng)感知是指CR終端利用自身靈敏的射頻前端，采集電磁信息，借助先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，進(jìn)而識(shí)別出所處環(huán)境的無(wú)線電頻譜使用狀況；被動(dòng)感知由系統(tǒng)中的基站來(lái)進(jìn)行頻譜分析，并廣播目前的頻譜使用狀態(tài)信息，進(jìn)而使得該區(qū)域內(nèi)分布的CR終端能夠從中心基站“被動(dòng)”地知道無(wú)限頻譜的使用狀況。

主動(dòng)感知方式要求CR終端的射頻前端有極高的靈敏度和很寬的工作帶寬，同時(shí)具備高速的信號(hào)處理能力。因此，主動(dòng)感知不可避免地導(dǎo)致CR終端造價(jià)高昂且軟硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

被動(dòng)感知方式顯然可以減小CR終端的復(fù)雜度和成本，但頻譜使用信息是由基站進(jìn)行廣播的，若基站檢測(cè)到授權(quán)用戶要接人某一個(gè)正在被感知用戶使用的頻率，感知用戶只有在收到基站信息后才能為授權(quán)用戶“騰出”這個(gè)頻率。這樣勢(shì)必會(huì)加大鏈路切換的時(shí)延，進(jìn)而對(duì)授權(quán)用戶造成一定的干擾。

不管是被動(dòng)還是主動(dòng)感知方式，對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)都是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。采用聯(lián)合頻譜檢測(cè)的技術(shù)的仿真結(jié)果表明，聯(lián)合頻譜感知不僅能夠降低弱信號(hào)的漏檢概率，而且能縮短檢測(cè)時(shí)間，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

2.2 頻譜池共享技術(shù)