隨著無線通信技術的飛速發展，頻譜資源特別是3GHz以下的頻譜資源變得越來越緊張。由于無線局域網技術、無線個域網技術的出現，越來越多的人通過這些技術以無線的方式接入互聯網和電信網。而這些技術大多使用非授權的頻段工作，進而使得這些頻段趨于飽和;但是另外一些授權頻段(比如廣播電視業務頻段)需要電信網絡給予一定的保護，以避免對其形成干擾。這樣就導致了這些專用頻段使用效率非常低，而恰恰這些授權的頻段還占了頻譜資源的一大部分，無形中造成了頻譜資源的巨大浪費。圖1是美國伯克利大學無線電研究中心(BWRC)獲得的0～6GHz頻段內的頻譜利用情況[1]，由圖1可知，一些頻帶大部分時間內并沒有用戶使用，另外一些頻帶也只是在部分時間內才被占用，剩余的一小部分頻帶卻被很多不同的用戶來競爭使用。事實上，頻譜資源的緊張并不是找不到用以通信的頻段，而是因為頻譜資源分配不合理造成的。提高頻譜利用率，在各個地區內充分利用有限的頻譜資源越來越成為通信專家們關注的焦點。

圖1　市區6GHz以內的頻譜資源使用情況

為了解決頻譜資源“匱乏”的問題，其基本思路就是盡可能的提高頻譜資源的利用率。為此，瑞典皇家技術學院Joseph Mitola博士提出了認知無線電的概念[2]。從這個意義上說，認知無線電提出的初哀就是為了提高頻譜利用率，使具有認知功能的無線通信設備具有發現 “頻譜空穴”并利用其進行通信的能力[3][4]。

1、認知無線電的關鍵技術簡介

從比較完整的意義上講，認知無線電系統應該具備檢測、分析、學習、推理、調整等功能，而這些功能的實現需要一系列的技術來支持，主要包括干擾溫度的界定與測量、動態頻譜分配、傳輸功率控制以及原始用戶檢測等，現一一進行簡要介紹。

(1)干擾溫度

干擾溫度是由FCC提出來的，用來表征非授權用戶在共享頻段內對授權用戶接收機產生的干擾。系統設定一個保證授權用戶正常運行的干擾溫度門限，該門限由授權用戶能夠正常工作的最壞信噪比水平決定。非授權用戶被當作為授權用戶的干擾，一旦包括非授權用戶信號在內的累積干擾超過了干擾溫度門限，授權用戶系統就無法正常工作;反之，可以保證授權用戶與非授權用戶同時正常工作。

(2)動態頻譜分配

由于CR網絡中用戶對帶寬的需求、可用信道的數量和位置都是隨時變化的，傳統的語音和無線網絡的動態頻譜分配方法不完全適用。另外，要實現完全動態頻譜分配受到很多政策、標準及接入協議的限制，因此目前基于CR的DSA的研究主要基于頻譜共享池這一策略。頻譜共享池的基本思想是將一部分分配給不同業務的頻譜合并成一個公共的頻譜池，并將整個頻譜池劃分為若干個子信道，因此信道是頻譜分配的基本單位[5]。為規定用戶之間選擇頻譜的協商機制，Mitola提出了標準的無線禮儀協議的初始框架。博弈論，是一種有效的分析實時認知用戶交互過程的工具。

(3)傳輸功率控制

采用CR技術實現頻譜共享的前提是必須保證對授權用戶不造成干擾，而每個分布式操作的認知用戶的功率分配是造成干擾的主要原因，因此需要探索適用于CR技術的分布式功率控制方法。

(4)原始用戶檢測

在認知無線電中，原始用戶的檢測是一個非常重要的方面。在實際中，往往會出現這種情況，當正在工作的授權用戶的功率水平很低或是受到屏蔽而無法被認知無線電系統及時有效的檢測到時，認知無線電系統會認為授權用戶正在使用的頻帶為一個或多個“頻譜空穴”，從而試圖在該頻段上建立自己的通信，這時就可能發生認知無線電用戶強行占用已授權頻譜的問題，而這一問題在認知無線電工作過程中是絕對不允許出現的。

2、認知無線電中的組網技術

認知無線電網絡是一個智能多用戶無線通信網，它的基本特征主要體現在以下幾個方面：

(1)通過CR用戶接收機對周圍環境的實時監測達到對無線電環境的掌握;

(2)通過對通信環境的學習實時的調整無線電收發機的射頻前端參數;

(3)通過多用戶之間以自組織形式的合作使通信過程更加順暢;

(4)通過對資源的合理分配對有競爭關系的用戶的通信進行控制，使每個通信過程都能順利進行。

2.1　認知無線電網絡

發射機如何在動態環境下精確的定位接收機是認知無線電的一個主要研究方面，這取決于認知無線電的組網方案。一般情況下，認知無線電的組網方案有以下幾種[6]：

(1)中心控制結構

其主要特點是發射信號的控制設計相對簡單，但受制于基站的建立，如圖2所示：

圖2　中心控制結構

(2)分布式控制結構

其主要不足是發射信號的控制設計相對困難，而且網絡組建技術還不成熟，如圖3所示：

圖3　分布式控制結構

(3)網狀控制結構

其主要特點是本地通信采用Ad-hoc路由，非本地通信利用接入節點進行通信，如圖4所示：

圖4　網狀控制結構

由于第3種結構在一定程度上綜合了前兩種的優點，給用戶之間的通信帶來便利，以下均是基于此種結構來討論。

當一個認知無線電用戶進入本地通信網后，它應該具有下面的五個基本功能才能保證實現通信的無縫接入，這主要是：

(1)能夠發現臨近的用戶;

(2)能夠發現接入節點;

(3)能夠不斷的更新臨近用戶的信息;

(4)能夠在本地網中以無線自組網的方式建立與接收節點的通信路徑;

(5)能夠通過接入節點建立與其它本地網接收節點的通信。

圖5是一個包含多個節點的細化后的認知無線電網絡示意圖。其中接入節點的作用是在不同的本地網之間建立通信的路徑，相當于圖4中的不同網絡之間的連接鏈路。其中的節點15、23、65為新接入的節點，它們均通過信道A進行廣播通信，但信息的傳播距離是有限的;節點42、60、96為當前已經存在的節點，但是它們沒有收到由新加入節點發送的“Hello”信息;其余的節點也是當前已經存在的，不同的是它們都收到了由新加入的節點發送的“Hello”信息。

圖5　認知無線電網絡結構示意圖

一個節點為了能夠發現其周圍的節點并能夠在本地網的節點之間方便的交換控制信息，每個本地網中均需要一個普通的公共控制信道。這同樣有以下兩種可選方案：其一是自適應公共控制信道，此時每個命令的傳輸均是在與結點等價的認知信道中進行的，這樣做的結果是系統的復雜性大大增加;另外也可以采用預先分配的控制信道，此種信道易于實現，但是需要從有限的頻譜資源中分配出可觀的部分用于控制信道，這是與認知無線電的精神相背離的。

2.2　認知無線電用戶之間的通信

當一個認知無線電用戶進入一個本地網后，它需要根據從GPS那里得到的位置信息把自己調整到信道A上。這時，此節點會通過信道A向臨近的用戶發送“Hello”信息包來表明自身的身份。每個信息包都應該包括該節點的身份號碼、位置信息、最適宜的頻譜空穴以及一系列單跳的相鄰用戶。此外，通過限制各個節點在控制信道A上的廣播信息，可以使更多的節點能夠通過此信道發現它們各自的臨近用戶。

如圖6所示，節點15、23、65都在通過控制信道A廣播自身的信息，不同的是它們所能發現的各自的臨近節點互不相同，但都是集中在自己的周圍，即廣播的傳輸范圍是有限的。另外，還可以通過接入節點與其它的本地網之間進行交互。

圖6　臨近用戶的尋找

接入節點主要用來在不同的本地網之間傳輸信息包，它應該知道本地網內的所有節點的位置信息，以便于能夠及時的處理其它網內的用戶于本地節點之間的通信請求。另外，接入節點可以通過公共信道以一個較高的功率水平發出一個“Hello”廣播包能夠到達本地網內的所有節點;移動認知無線電節點比接入節點的功率限制大些。由于接入節點以一個較高的功率水平發送信息，所有的認知無線電用戶都應該能接收到接入節點的“Hello”信息包，其中包括接入節點的與GPS有關的信息，這樣，在這個網絡內的所有節點都能夠知道接入節點的位置信息。利用這一位置信息，每個認知無線電用戶都能知道自身與接入節點之間的距離，從而適當的調整傳輸功率，使接入節點和認知無線電用戶能夠在一個合適的功率水平上進行通信。

圖7　接入節點廣播圖

圖7中基站節點以較高的功率水平通過信道B+向本地網內的所有節點發出信息，因為傳輸功率水平較高，所以正常情況下本地節點都應該能收到此信息。

當本地節點收到來自基站節點的信息后，它們會根據自身與基站節點之間的距離調整傳輸功率的水平，然后通過信道B-向基站節點反饋信息，如圖8所示。其中節點25由于距離基站較近，所以傳輸的功率水平較低;節點66由于距離基站較遠，因此傳輸的功率水平較高;而節點21的距離位于以上兩節點之間，傳輸的功率水平在二者之間。

圖8　CR節點反饋圖

一個節點可以定位一個同一網絡內的幾跳以外的節點。信息包可以通過一個一個的節點順次向下傳遞。這樣，每個節點都可以得到距離它本身兩跳距離處節點的信息，如果接收節點不在源節點的兩跳范圍內，則繼續搜索三跳內的節點，依次類推。

3、結束語

認知無線電的核心思想是使設備具有發現“頻譜空穴”并合理利用所發現的“空穴”的能力，但這是以頻譜管理結構以及授權用戶開放授權頻段為基礎的。本文介紹了認知無線電的產生及其特點，并在這些特點的基礎上給出了一種認知無線電的網絡模型及其網絡中用戶之間的通信模型。可以看出，移動Ad hoc技術在認知無線電的組網以及通信過程中起著重要的作用。由于CR技術有著其自身的巨大優勢和顯著特點，近年來得到了迅速的發展。但是CR技術還并不成熟，其中一些關鍵技術的處理還需要進一步的研究。