认知无线电系统组成与运用场景探析论文
2019-12-31 21:26:03 97
认知无线电系统组件
认知无线电系统是指使用认知无线电技术的无线通信系统。计算机平台和增强的计算智能使通信系统更加灵活。认知无线电系统主要包括三个功能模块：信息获取，学习以及决策和调整，如图1
所示。
认知无线电系统的主要特征是获得有关无线电的外部环境，内部状态和相关策略的知识的能力，以及监视用户需求的能力。认知无线电系统具有获取无线电外部环境并对其进行分析和处理的能力。例如，通过分析当前频谱使用情况，它可以指示无线通信系统的载波频率和通信带宽，甚至指示其覆盖范围和干扰水平。信息;认知无线电系统具有获取无线电内部状态信息的能力，该信息可以通过其配置信息，话务量分配信息和发射功率来获得；认知无线电系统具有获取相关策略信息的能力，并且无线电策略信息指定了认知无线电系统在特定情况下可以使用的频带，最大发射功率以及相邻节点的频率和带宽；认知无线电系统具有监视用户需求并根据用户需求进行决策调整的能力。如表1所示，用户的服务要求通常可以分为三类：语音，实时数据（例如图像）和非实时数据（例如大文件包）。不同类型的服务对通信QoS有不同的要求。
认知无线电系统的第二个主要特征是学习能力。学习过程的目标是通过使用先前存储在认知无线电系统的决策和结果中的信息来提高性能。根据学习内容的不同，学习方法可以分为三类。第一类是监督学习，用于学习外部环境，主要是利用测得的信息来训练估计器。第二类是无监督学习，用于学习外部环境，主要是提取与外部环境有关的参数。第三类是强化学习，用于学习内部规则或行为，主要是通过奖惩机制突出适用于当前环境的规则或行为，并丢弃不适合当前环境的规则或行为。根据学习机制，机器学习技术可以分为：机械学习，基于解释的学习，指导学习，类比学习和归纳学习。
认知无线电系统的第三个主要特征是能够基于获得的知识动态地，自主地调整其工作参数和协议，以实现某些预定目标，例如避免其他无线电的不利干扰。系统。认知无线电系统的适应性不需要用户干预。它可以实时调整工作参数以达到适当的通信质量；或更改连接中的无线访问技术；或调整系统中的无线电资源；或调整发射功率以减少干扰。认知无线电系统分析所获取的知识，动态，自主地做出决策，并对其进行重构。使在决策被重建之后，响应于控制命令，认知无线电系统可以根据这些决策来改变其操作参数和/或协议。认知无线电系统的决策过程可能包括了解多个用户和无线工作环境的需求，并建立旨在选择适当配置以支持这些用户共同需求的策略。
认知无线电与其他无线电之间的关系
在引入认知无线电之前，已经存在“某某某无线电”的一些概念，例如软件定义的无线电等自适应无线电等与认知无线电的关系如图2所示。软件定义的无线电被认为是认知无线电系统的一种启用技术。软件定义的无线电不需要CRS的特征即可工作。 SDR和CRS处于不同的开发阶段，也就是说，已经使用了使用SDR应用程序的无线电通信系统，而CRS处于研究阶段，并且其应用程序也正在研究和测试中。 SDR和CRS不是无线电通信服务，而是可以在任何无线电通信服务中全面使用的技术。自适应无线电可以调整参数和协议以适合预设的频道和环境。与认知无线电相比，自适应无线电没有学习能力，不能从获得的知识和决策中学习，也不能改善知识的获取方式，无法通过学习来调整相应的决策。因此，它无法适应“无预设频道和环境”。可重配置无线电是可以通过软件控制更改其硬件功能的无线电。它可以更新部分或全部物理层波形以及协议栈的更高层。基于策略的无线电可以通过更新而适应本地监管政策，而无需更改内部软件。对于较新的无线电网络，Internet路由器始终基于策略。这样，网络运营商可以使用策略来控制访问，分配资源以及修改网络拓扑和行为。对于认知无线电，基于策略的技术应能使产品在全球范围内普遍使用，自动适应本地法规要求，并在法规随时间和经验发生变化时自动更新。智能无线电是根据过去和当前状况预测未来并预先进行调整的无线电。与智能无线电相比，自适应无线电只能根据当前情况确定策略并做出调整。认知无线电可以学习，确定策略并根据以前的结果进行调整。
认知无线电的关键技术
认知无线电系统的关键技术包括无线频谱感知技术，智能资源管理技术，自适应传输技术和跨层设计技术等，它们是认知无线电的特征技术，可以区别传统无线电[4，5]。
根据检测策略，频谱检测可以分为物理层检测，MAC层检测和多用户协同检测，如图3所示。3.1.1物理层检测物理层的检测方法主要是通过检测时域，频域和空间域。在正确的频带中是否有授权的用户信号来确定该频带是否被占用。物理层检测可以分为以下三种方法：发射机检测的主要方法包括能量检测，匹配滤波器检测和循环平稳特性检测。多天线检测中的一种方法。当授权用户接收器接收信号时，有必要使用本地振荡器将信号从高频转换为中频。在此转换过程中，一些本地振荡器信号的能量将不可避免地通过天线泄漏出去。功耗检测传感器安装在授权用户接收器附近，以检测本地振荡器信号的能量泄漏，从而确定授权用户接收器是否正在工作。干扰温度模型使人们能够以自适应方式将评估干扰的方法从大量发射机的操作更改为发射机与接收机之间的实时交互活动。基础是干扰温度机制，即通过授权接收机干扰温度来量化和管理无线通信环境中的干扰源。 MAC层检测主要关注如何在多信道条件下提高吞吐量或频谱利用率。另外，通过优化信道检测顺序和检测周期，可以检测可用空闲信道的最大数量，或者将平均信道搜索时间最小化。 。 MAC层检测可以分为以下两种方式：主动检测是一种定期检测，即当认知用户没有通信需求时，它也会定期检测相关通道。通过周期性检测获得的信息可以被估计为信道使用的统计特性。被动检测也称为按需检测。认知用户仅在有通信需求时才依次检测所有授权频道，直到找到可用的空闲频道为止。由于诸如多径衰落和阴影遮挡之类的不利因素，单个认知用户很难对授权用户信号是否存在做出正确的决定。因此，多个认知用户需要彼此合作以提高频谱检测的灵敏度和准确性。减少检测时间。协作检测结合了物理层和MAC层功能的检测技术。每个认知用户不仅需要高性能的物理层检测技术，而且MAC层也具有有效的调度和协调机制。
智能资源管理的目标是在有限带宽上最大化频谱效率和系统容量，同时满足用户的QoS要求，同时有效避免网络拥塞。在认知无线电系统中，网络的总容量是随时间变化的，因此需要采用某些访问控制算法来确保新访问的连接不会影响网络中现有连接的QoS要求。动态频谱访问的概念模型通常可分为三类，如图2所示。 4.动态专用模型保留了当前静态频谱管理策略的基本结构，即频谱被许可用于特定的通信服务。该模型的主要思想是引入机会主义以提高频谱利用率，并包括两种实现方式：频谱产权和动态频谱分配。开放共享模型（也称为频谱通用模型）可将频谱开放给所有用户共享，例如ISM频段的开放共享模式。分层访问模型的核心思想是向未授权用户开放授权频谱，但在一定程度上限制了未授权用户的操作以避免对授权用户的干扰。有两种类型的频谱参考图和频谱填充图。认知无线电中的频谱分配主要基于两种接入策略：①正交频谱接入。在正交频谱访问中，一次仅允许一个认知用户访问每个信道或载波。分配完成后，认知用户之间的通信通道相互正交，即用户之间没有干扰。 （或者干扰可以忽略不计）。 ②共享频谱接入。在共享频谱访问中，认知用户同时访问多个信道或授权用户的运营商。除了授权用户的抗干扰能力之外，用户还需要考虑其他用户的干扰。根据授权用户的干扰容限约束，以上两种接入策略可以分为以下两种频谱接入方式：填充频谱接入和底层频谱接入。对于填充的频谱访问，认知用户等待访问“频谱漏洞”。他们只需要在授权用户出现时及时转移频谱，而不会在与授权用户共享信道时产生额外的干扰问题。该方法易于实现，并且不需要现有的通信设备提供干扰容限参数。在基础频谱访问模式下，认知用户和授权用户共享频谱，并且在共享信道时需要考虑其他干扰限制。
在不影响通信质量的前提下，执行功率控制以最小化发送信号的功率可以增加信道容量并增加用户终端的待机时间。认知无线电网络中的功率控制算法设计面临着一个多目标联合优化问题。由于不同目标的要求不同，因此存在多种折衷。根据不同的应用场景，认知无线电网络中现有的功率控制算法可以分为两类：一类是适用于分布式场景的功率控制策略，另一类是适用于集中式场景的功率控制策略。分布式方案中的大多数功率控制策略都是基于博弈论的。有些人还提到了传统Adhoc网络中的功率控制方法。他们从集中策略开始，然后将集中策略转换为分布式策略。集中场景下的功率控制策略主要是利用基站的便利性来集中处理信息，并采取联合策略，即结合功率控制和频谱分配，或者同时考虑功率控制和接入控制。
自适应传输可以分为基于服务的自适应传输和基于信道质量的自适应传输。基于服务的自适应传输是为了满足多服务传输的不同QoS要求。它主要在上层实现，而不考虑物理层的实际传输性能。当前，在有线网络中考虑了这种自适应传输技术。认知无线电可以使用相关技术基于感知到的环境参数和信道估计结果来优化无线电参数并调整相关的传输策略。这里的优化是指在满足用户性能水平的同时使无线通信系统消耗的资源最小化，例如使占用的带宽和功耗最小化。物理层和媒体控制层可以调整参数包括中心频率，调制方法，符号率，发射功率，信道编码方法和访问控制方法。显然，这是一个非线性的多参数多目标优化过程。
现有的分层协议栈在设计时仅考虑了最恶劣的通信条件，导致无法有效使用有限的频谱和功率资源。跨层设计通过在现有分层协议堆栈的各层之间引入和传输特定信息来协调各层的操作，以适应复杂且不断变化的无线通信网络环境，从而满足用户对各种新的不同业务需求的需求应用程序。跨层设计的核心是使分层协议栈的每一层都能根据网络环境和用户需求的变化来自适应地优化各种网络资源的配置。在认知无线电系统中，存在以下跨层设计技术：为了选择适当的频谱孔，动态频谱管理策略需要考虑高层QoS要求，路由，规划和感知信息以及通信层之间由于物理层和物理层之间的紧密交互，因此必须跨层设计动态频谱管理解决方案。频谱移动性功能需要与其他频谱管理功能（例如频谱感应）结合使用，以共同确定可用频段。要估算频谱切换持续时间对网络性能的影响，您需要了解链路层的信息和感知的延迟。网络层和应用层还应该知道此持续时间，以减少突然的性能下降；此外，路由信息对于使用频谱交换的路由发现过程也很重要。频谱共享的性能直接取决于认知无线电网络中频谱感知的能力，这主要是物理层的功能。然而，在协作频谱感测的情况下，需要在认知无线电用户之间交换检测信息，因此频谱感测和频谱共享之间的跨层设计是必需的。在认知无线电系统中，由于多跳通信中每个跃点的可用频谱可能不同，因此网络的拓扑配置需要了解频谱感知信息，而认知无线电系统中路由设计的主要思想之一是路由和频谱。结合决策。
认知无线电应用场景
认知无线电系统不仅可以有效地使用频谱，而且还具有许多潜在功能，例如提高系统灵活性，增强容错能力和改进能源效率。基于上述优点，认知无线电在民用和军事领域具有广阔的应用前景。
可以通过提高单个无线访问设备的频谱效率或通过提高各种无线访问技术的共存性能来实现频谱效率的提高。这种新的频谱利用方法有望提高系统的性能和频谱的经济价值。因此，认知无线电系统的这些共存/共享性能的增强促进了频谱利用新方法的发展，并使得有可能以共存/共享方式获得新频谱。认知无线电系统的功能还有助于提高系统的灵活性，主要包括提高频谱管理的灵活性以及在生命周期内改善设备的运行。灵活性和系统健壮性。容错是通信系统的主要性能，认知无线电可以有效地提高通信系统的容错能力。通常，容错主要基于机内测试，故障隔离和错误纠正措施。认知无线电用于容错的另一个优点是认知无线电系统具有学习故障，响应和错误信息的能力。认知无线电系统可以根据服务需求通过调整带宽或信号处理算法等操作参数来提高功率效率。
认知无线电要解决的是资源利用问题。在农村地区应用的优势可总结如下。农村无线电频谱的使用主要占用无线电，电视和移动通信频段。其特点是广播频段占用与城市基本相同，电视频段利用率小于城市，移动通信频段占用小于城市。因此，考虑频域，可用的频率资源比城市丰富。农村地区的经济发展水平总体上不及城市。除了电视频段占用相对固定外，移动通信的利用率还不如城市。因此，分配使用的频率利用率相对较低。由于农村地区人口稀少，并且移动小区受到辐射半径的限制，因此很多地区没有移动通信频率覆盖，尤其是在偏远地区，并且频率空间中的可用资源非常丰富。
在异构无线环境中，一个或多个运营商会在分配给它们的不同频段上运行多个无线接入网络。认知无线电技术的使用允许终端选择不同的运营商和/或具有不同的无线电接入网络的能力，其中一些还可能具有支持不同无线电接入网络上的多个同时连接的能力。因为终端可以同时使用多个无线网络，所以应用程序的通信带宽增加了。随着终端的移动和/或无线环境的变化，可以快速切换合适的无线网络以确保稳定性。
在军事通信领域，认知无线电的可能应用场景包括以下三个方面。认知抗干扰交流。由于认知无线电使无线电具有感知周围环境的能力，因此它可以提取干扰信号的特征，然后根据电磁环境感知信息，干扰信号的特征来选择合适的抗干扰通信策略，以及通信服务的需求，大大提高了无线电的抗干扰水平。战场电磁环境感知。认知无线电的特征之一是感应环境感测和通信的集成。由于每个站既是通信站又是电磁环境检测站，因此可以使用无线电形成电磁环境检测网络，有效地满足了整个时间段，整个频带以及整个区域的要求。电磁环境感应。战场电磁频谱管理。现代战场的电磁频谱不再是传统的无线电通信频谱。静态的和集中的频谱管理策略不再能够满足灵活和现代战争的要求。基于认知无线电技术的战场电磁频谱管理为多个战斗要素提供频谱感应功能，使频谱监视和频谱管理可以同时执行，从而大大提高了频谱监视网络的覆盖范围并扩大了频谱管理覆盖频段。
结束语
如何提高频谱利用率以满足用户的带宽需求；如何使无线电变得智能，使其能够自主发现何时，何地以及如何使用无线资源获得信息服务；如何有效地从环境中获取信息，学习并做出有效的决策和调整，都是认知无线电技术必须解决的问题。认知无线电技术的发展为无线环境意识，动态资源管理，改进的频谱利用率和可靠的通信提供了强大的支持。认知无线电具有广阔的应用前景，是无线电技术发展的另一个里程碑。
