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认知无线电频谱分配技术的研究

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李二龙／重庆邮电大学通信新技术应用研究所（重庆400065）

摘要：认知无线电技术可以有效缓解频谱分配与利用之间的矛盾。频谱分配技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。本文回顾了认知无线电的由来及相关概念，分析了认知无线电技术及其频谱分配技术国内外发展的现状。

关键词：认知无线电，频谱，分配技术

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；1673-1131(2010)02-040-04

一、认知无线电技术的背景

随着无线通信技术的发展，人们可以获得的带宽不断地增加，移动通信的数据速率从lOkbit/s增长到2Mbit/s．在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒。即便如此，也无法满足人们日益增长的无线接入需求。为了缓解这一矛盾，一方面，人们不断开发新的无线接入技术，利用新的频段来提供各种业务；另一方面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率。

然而，由于移动终端天线尺寸和功率的限制，可以用于无线接入的频段十分有限。

根据联邦通信委员会《FCC）．关于美国3-6GHz频谱资源分配情况的研究结果表明．与日俱增的用户需求使得无线频谱资源面临紧缺的危险。

事实果真如此吗7美国加州大学伯克利分校的实地测量数据向我们展示了另一番景象。由此看来．大量的频谱资源处于空闲状态。

为什么会出现这种频谱资源貌似紧张而实际充足的现象呢？究其原因，主要在于FCC对频谱资源的使用采取了一种频谱所有权”独占”的授权分配政策——即使授权用户没有使用授权频谱，该频段也不能被其它非授权用户使用。这一政策造成频谱资源的巨大浪费。

如此说来，FCC的这种频谱所有权“独占”的授权分配政策愈发不合时宜。因此，不少经济学家相信若这些”独占”频谱拥有者再次出售或出租他们的频段，建立频谱的二级市场，将会消除频谱资源紧缺的现象，或者至少可以大幅提高频谱利用率。

认知无线电正好可以满足这样的要求。随着人们对频谱分配与使用间矛盾的认识的加深，认知无线电技术正逐步受到越来越多业内人士的关注。

二、认知无线电的定义

2.1JosephMitola博士的定义

1999年．JosephMitola博士在发表的一篇学术论文中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识描述语言(RadioKnowledgeRepresentationLanguage.RKRL)”的新语言来提高个人无线业务的灵活性，给出了无线认知环的推理模型：并在文献中提出了频谱池(SpectrumPooling)的概念．指出采用频谱池技术能够拓展系统的可用带宽，并介绍了如何通过认知无线电技术实现频谱池；在随后的2000年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中，JosephMitola详细探讨了这一理论。

他认为：“认知无线电这个术语确定了这样一个观点，即无线个人数字助理(PersonalDigitalAssistant,PDA)和相关的网络具有对于无线资源和相关的计算机与计算机之间通信足够的计算智能，包括：作为用户环境的函数，检测用户的通信需求，并且提供满足这些需求的最适当的无线资源和服务。”

2.2FCC的定义

近年来，通过监测、分析无线频谱使用状况发现：虽然大部分频谱己经被分配给不同的用户，但是在相同时间，相同地点频谱的使用却非常有限。常常是大部分频点未被使用．而某些热点频率又处于超负荷运行。

美国联邦通信管理委员会任(FCC)充分注意到这点，开始重新思考新的频谱资源管理政策，并于2003年5月召开了认知无线电研讨会．讨论了利用认知无线电实现灵活使用频谱的相关技术问题。

FCC对认知无线电作出了相对狭隘的一个定义：“认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射机参数的无线电设备。认知无线电的主体可能是软件定义无线电(SoftwareDefinedRadio．SDR)，但既没有软件也没有现场可编程的要求”。同时，描述了五个可能的应用领域：

·在低人口密度和低频谱使用率（如郊区）的区域可以增加发射功率8dB;

·授权用户以可以中断的方式向认知无线电用户租借频谱；

·利用用户的空间和时间特性动态协调频谱共享；

·促进不同系统间的互操作；

·利用发射功率控制和环境判决实现多跳射频网络(multi-hopRFnetwork)。

2.3SimonHaykin的定义

SimonHaykin教授结合J.Mitola博士和FCC对认知无线电的解释，于2005年2月在一篇名为“CognitiveRadio:Brain-EmpoweredwirelessCommunications”的文章里，重新定义认知了无线电：

“认知无线电是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实