一、 概要
隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)通信速率（尤其是數(shù)據(jù)傳輸速率）的需求也越來(lái)越高。根據(jù)香農(nóng)理論，通信速率越高,要求通信系統(tǒng)所占用的頻譜帶寬也越來(lái)越大，從而導(dǎo)致適用于無(wú)線通信的頻譜資源變得日益緊張；另一方面，已經(jīng)分配或指配給現(xiàn)有很多無(wú)線業(yè)務(wù)的頻譜卻在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置。那么，如何有效地盤(pán)活那些閑置的頻譜資源，解決這一制約無(wú)線通信發(fā)展的新瓶頸？美國(guó)科學(xué)家Joseph Mitola博士提出了認(rèn)知無(wú)線電（CR）的概念。
認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio)是在軟件無(wú)線電的基礎(chǔ)上，依靠人工智能的支持，將無(wú)線電系統(tǒng)從預(yù)置程序的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成為無(wú)線電領(lǐng)域的智能Agent。認(rèn)知無(wú)線電能感知無(wú)線通信環(huán)境，并實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境變化與用戶需求。
美國(guó)FCC從提高頻譜利用率與通信可靠性的目的出發(fā)，提出了相對(duì)簡(jiǎn)化的定義：認(rèn)知無(wú)線電要“感知”周邊環(huán)境的頻譜使用狀況以檢測(cè)出“頻譜空洞”。 “頻譜空洞”即特定時(shí)間和特定位置未被使用的授權(quán)頻段。“感知”就是能在一定范圍的空域、時(shí)域、頻域?qū)ο鄳?yīng)授權(quán)用戶頻譜使用規(guī)律進(jìn)行分析，并及時(shí)改變傳輸參數(shù)(如調(diào)制方式、功率、使用頻段等)來(lái)充分利用“頻譜空洞”。
認(rèn)知無(wú)線電采用交叉共享的頻譜訪問(wèn)方式，即采用正常發(fā)射功率，在同一區(qū)域內(nèi)使用未利用頻段來(lái)避開(kāi)其他用戶的干擾，同時(shí)不對(duì)其他用戶造成干擾。因此，認(rèn)知無(wú)線電又稱為頻譜捷變無(wú)線電(Frequency Agile System)。為了形象起見(jiàn)，以路面車(chē)輛交通控制作類比來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,見(jiàn)下圖1。
圖1：現(xiàn)有頻譜政策與使用認(rèn)知無(wú)線電的頻譜使用構(gòu)想的比較
二、認(rèn)知無(wú)線電的頻譜管理
具有認(rèn)知無(wú)線電功能的通信終端在非授權(quán)狀況下使用無(wú)線頻譜，是對(duì)現(xiàn)有固定頻譜劃分模式的一次挑戰(zhàn)和技術(shù)革命。如何對(duì)這種嶄新的用頻方式進(jìn)行有效管控，非常值得當(dāng)今無(wú)線電管理者進(jìn)行深入分析和研究。從提高頻譜利用效率的角度出發(fā)，是不應(yīng)該壓制基于認(rèn)知功能的非授權(quán)頻譜業(yè)務(wù)的。合理的解決方法是改變無(wú)線電管理思路和頻譜管理規(guī)則，積極疏導(dǎo)、協(xié)調(diào)和利益均衡，使其適應(yīng)業(yè)務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展。當(dāng)然，這些行政措施需要先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)支撐。
三、頻譜監(jiān)測(cè)與占用度分析
通過(guò)日常頻譜監(jiān)測(cè)積累了豐富的數(shù)據(jù)。同時(shí)，各級(jí)無(wú)線電管理部門(mén)對(duì)所轄區(qū)域的頻譜使用狀況、業(yè)務(wù)類型、使用單位、工作參數(shù)等已基本了解。 通過(guò)電磁兼容分析和頻譜占用度的分析和比較，推測(cè)并評(píng)估潛在的頻譜可用性和可靠性，以便決定哪些頻段適合于認(rèn)知無(wú)線電使用。下面的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是在某棟建筑室內(nèi)和室外分別測(cè)量的，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和處理。
圖2：監(jiān)測(cè)位置和測(cè)試設(shè)備
圖3：頻譜測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)（左：9F 室外，右：3F 室內(nèi)）
從上圖3 可看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置不同，實(shí)際頻譜測(cè)量結(jié)果有很大差異。室內(nèi)監(jiān)測(cè)由于受建筑物的墻體阻擋，而產(chǎn)生較大的衰耗(穿透損耗大約在5~25dB) 。頻段占用度統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖4）結(jié)果表明：GSM蜂窩移動(dòng)業(yè)務(wù)下行頻段，占用度特別高(達(dá)70%以上)；而其他業(yè)務(wù)頻段，占用度在10%以下； 固定業(yè)務(wù)頻段占用度介于4% 到7% ；對(duì)于806 MHz 到2750 MHz整個(gè)頻段，占用度僅為6.2%。原因分析：
(1) GSM 蜂窩移動(dòng)業(yè)務(wù)的下行信號(hào)中，由于廣播控制信道不參與跳頻，且一直處于常發(fā)狀態(tài)， 因此，該頻率的占用度高，多個(gè)基站采用多個(gè)廣播控制信道,因此頻段占用度也高；而對(duì)應(yīng)的上行信道，由于頻段占用度與同時(shí)激活/發(fā)射的手機(jī)數(shù)量有關(guān)，同時(shí)受手機(jī)發(fā)射功率偏小及跳頻的 影響，統(tǒng)計(jì)出的占用度較低。
(2) 對(duì)于固定業(yè)務(wù)，一般采用方向性極強(qiáng)的天線，若監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選擇的不合適（如監(jiān)測(cè)地點(diǎn)位于 發(fā)射天線方向性圖的旁瓣或后瓣方向），信號(hào)衰減嚴(yán)重，可能淹沒(méi)在噪聲之中，很難被發(fā)現(xiàn)。 因此，統(tǒng)計(jì)出的占用度也較低。
(3) 室內(nèi)監(jiān)測(cè)，由于受墻體衰耗，接收的的電平偏小，各個(gè)不同業(yè)務(wù)頻段的占用度也較低。
總的來(lái)說(shuō)，頻段占用度低意味著該頻段可考慮作為某認(rèn)知無(wú)線電的候選頻段，以達(dá)到使用效 益的最大化。有些認(rèn)知無(wú)線電，如果僅局限在室內(nèi)使用，潛在候選頻段將更加廣泛。
圖4：頻段占用度統(tǒng)計(jì)
基于頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果, 按頻段占用度大小將業(yè)務(wù)頻段總結(jié)為三種不同的類型:
黑空-----如移動(dòng)通信的下行頻段，占用度大于70%；該頻段存在高功率的干擾，不適用于疊加認(rèn)知無(wú)線電業(yè)務(wù)，可由授權(quán)用戶專用，非授權(quán)用戶不得占用。
灰空-----如移動(dòng)通信的上行頻段及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定業(yè)務(wù)；占用度介于1%到7%之間；該頻段存在低功率的干擾，可適當(dāng)疊加認(rèn)知無(wú)線電業(yè)務(wù)，但要非常謹(jǐn)慎。
白空-----占用度非常低；僅存在環(huán)境噪聲，包括熱噪聲、瞬時(shí)反射、脈沖噪聲等。該頻段幾乎沒(méi)有干擾，可以不受限制占用。
這里，頻段占用度分析的目的就是查找適合于認(rèn)知無(wú)線電業(yè)務(wù)的白空。同時(shí)，還需要對(duì)工作頻段隨時(shí)間在黑空、灰空和白空之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的特征進(jìn)行連續(xù)的研究，尋找潛在的規(guī)律。
四、結(jié)語(yǔ)
認(rèn)知無(wú)線電，為解決無(wú)線通信需求與有限的頻譜資源之間的矛盾開(kāi)辟了一條行之有效的途徑，是未來(lái)無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向；然而，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)從概念到應(yīng)用尚面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，這也使得其成為近年來(lái)無(wú)線通信研究的熱點(diǎn)。
