认知无线电在通信中的应用

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原创性声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名： 日期：

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摘 要

随着各种无线通信新技术和应用不断出现，频谱资源变得越来越紧张，使用认知无线电技术将实现频率资源的动态使用，有效解决目前严重的频谱资源紧张问题，提高无线电频谱的使用效率。认知无线电技术越来越受到全球广泛的关注，世界各国均开始研究应用认知无线电技术解决频谱使用紧张问题。

本文简要分析了认知无线电技术的特点、发展趋势和对全球通信行业的影响。讨论了本文简要分析了认知无线电技术的特点、发展趋势和对全球通信行业的影响。认知无线电通信的一些关键技术。在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。分析了认知无线电系统当中需要重点解决的关键技术，包括频谱感知，动态频谱管理以及信道估计等，并研究与探讨了关键技术的多种典型解决方案，对其性能进行分析与评价，最后对未来应用需要解决的关键问题与热点技术的结合进行了总结与展望。

关键词: 认知无线电 频谱 通信 频谱感知

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ABSTRACT

With a variety of wireless communication technology and applications continue to appear, spectrum resource becomes more and more intense, the use of cognitive radio technology will achieve the dynamic use of frequency resources, effectively address the current severe spectrum resource, improve the efficiency of the use of the radio spectrum. Cognitive radio technology has been more and more widespread concern around the world, all countries in the world began to study the application of cognitive radio technology to solve the problem of spectrum using tension.

This paper analyzes the cognitive radio technology characteristics, development trend and effect on the global communications industry. Discussed in this article briefly analyzes the characteristics of cognitive radio technology, development trend and effect on the global communications industry. Some key technologies in cognitive radio. On the basis of the cognitive radio technology development in the future is worth attention hot topic. Analysis of the cognitive radio system need to focus on solving key techniques, including the spectrum sensing, dynamic spectrum management and channel estimation, and studies and discusses the key technology of several typical solutions, an analysis is made on the performance and evaluation, finally the future application of key problems need to be solved and the hot technologies are summarized and prospect.

Key words: Cognitive radio Frequency spectrum Signal communication

Spectrum sensing

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目 录

1绪论 ..................................................................................................... 5

1.1认知无线电的研究背景 ................................................................................ 5 1.2 认知无线电的研究意义 ............................................................................... 5 1.3 本文的研究内容 ........................................................................................... 5

2无线电通信的模式 .............................................................................. 6

2.1认知无线电通信技术的特点 ........................................................................ 6 2.2认知无线电通信技术的种类 ........................................................................ 7 2.4 认知无线电通信的运行流程 ..................................................................... 10 2.5认知无线电在通信领域上的应用 .............................................................. 12

2.5.1认知无线电在宽带无线通信中的应用与研究 .................................................... 12 2.5.2认知无线电在震后应急通信中的应用 ................................................................ 13

3认知无线电通信的关键技术 ............................................................ 14

3.1 快速频谱感知技术 ..................................................................................... 14 3.2 动态频谱管理 ............................................................................................. 15 3.3 自适应频谱资源分配技术 ......................................................................... 15 3.4信道估计 ...................................................................................................... 16

4认知无线电的未来发展趋势 ............................................................ 17

4.1国际无线电频谱资源的发展趋势 .............................................................. 17 4.2认知无线电对全球通信行业的影响 .......................................................... 17 4.3对未来认知无线电技术在通信应用中的展望 .......................................... 17

5结束语 ............................................................................................... 19 致 谢 .................................................................................................. 20 参考文献 .............................................................................................. 21

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1绪论

1.1认知无线电的研究背景

认知无线电概念最早是由瑞典 Joseph M itola博士于 1999年 8月提出的{4},是对软件无线电 ( SDR ) 功能的进一步扩展。认知无线电可以感知周围电磁环境 ,通过无线电知识描述语言 ( RKRL )与通信网络进行智能交流 ,并实时调整传输参数 (通信频率、发射功率、调制方式、编码体制等 ) ,使通信系统的无线电参数不仅与规则相适应 ,而且能与环境相匹配 ,以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。也就是说 , SDR关注的是采用软件方式实现无线电系统信号的处理 ;而 CR强调的是无线系统能够感知操作环境的变化 ,并据此调整系统工作参数 ,实现最佳适配。从这个意义上讲 , CR是更高层的概念 ,不仅包括信号处理 ,还包括根据相应的任务、策、则和目标进行推理和规划的高层活动。

随着无线多媒体的应用的增加，无线频谱成为越来越紧张的资源。认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。

1.2 认知无线电的研究意义

信息化社会发展到今天 ,人类社会已离不开通信 ,尤其是无线移动通信 (如 GSM、CDMA手机 )普及程度在几年前是不可想像的 ,各种新的通信手段、信体制的出现为人们的生活、作带来了极大的便利。随着各种新标准、协议的不断发布 ,无线 系统制造商和通信服务提供商不得不做出响应 ,通过系统升级 ,以保持其技术的先进性 ,不断为用户提供高质量的通信服务 ( 1G→2G→3G→4G)。但是 ,如此反复的重新设计和硬件的不断更新换代 ,不仅成本高 ,浪费资源 ,而且给最终用户也带来诸多不子便。为解决频谱资源的有效利用问题 ,有人又提出了基于软件无线电的认知无线电概念。认知无线电 ( CR , cognitive radio)是一种具有频谱感知能力的智能化软件无线电 ,它能自动感知周围的电磁环境 ,寻找“频谱空穴”,并通过通信协议和算法将通信双方的信号参数调整到最佳状态。由此可见 ,认知无线电不仅具有通信功能 ,而且还需具备频谱探测能

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力 ,具有多功能特征 ,必须借助于软件无线电来实现。认知无线电已成为目前无线通信领域的一大研究热点。

随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。

1.3 本文的研究内容

着无线电通信技术的发展，无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。 本文在研究探讨的理论指导下，利用图书馆资源与网络资源，深入的介绍了认知无线电的定义、无线电的技术特点与关键技术以及应用。并介绍了无线电在国际上的影响与发展趋势。分析了认知无线电技术的特点、发展趋势和对全球通信行业的影响。认知

无线电通信的一些关键技术.

在此基础上探讨了认知无线电技术未来发展值得关注的热点问题。分析了认知无线电系统当中需要重点解决的关键技术，包括频谱感知，动态频谱管理以及信道估计等，并研究与探讨了关键技术的多种典型解决方案，对其性能进行分析与评价，最后对未来应用需要解决的关键问题与热点技术的结合进行了总结与展望。

2无线电通信的模式

2.1认知无线电通信技术的特点

CR应该具备以下2个主要特征： (1) 认知能力

认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。

(2) 重构能力

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重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程，从而允许CR设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。

目前近距无线通信技术，比如蓝牙(Bluetooth)，无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)等技术得到了广泛的使用。另外新型的通信技术正在崛起，它们分别是：Zigbee、超宽频(Ultra WideBand)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。

2.2认知无线电通信技术的种类

① GSM接入技术

GSM是一种起源于欧洲 的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术。 ② ＣＤＭＡ接入技术

ＣＤＭＡ即code-division multiple access的缩写，译为“码分多址分组数据传输技术”，被称为第２.５代移动通信技术。

③ ＧＰＲＳ接入技术

相对原来ＧＳＭ的拨号方式的电路交换数据传送方式，ＧＰＲＳ是分组交换技术。 ④ ＣＤＰＤ接入技术

ＣＤＰＤ接入技术最大 的特点就是传输速度快，最高的通信速度可以达到１９．２ｋｂｐｓ。

⑤ 固定无线宽带（ＬＭＤＳ）接入技术

ＬＭＤＳ的英文全称叫 Local Multipoint Distribution Services，中文含义叫本地多点分配业务。

⑥ ＤＢＳ卫星接入技术

ＤＢＳ技术也叫数字 直播卫星接入技术，该技术利用位于地球同步轨道的通信卫星将高速广播数据送到用户的接收天线，所以它一般也称为高轨卫星通信。

⑦ 蓝牙技术

蓝牙的英文名称为“Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ”，实际上它是一种实现多种设备之间无线连接的协议。

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⑧ ＨｏｍｅＲＦ技术

ＨｏｍｅＲＦ主要为家庭网络设计，旨在降低语音数据成本。 ⑨ ＷＣＤＭＡ接入技术

ＷＣＤＭＡ技术能为用户带来了最高２Ｍｂｉｔｓ的数据传输速率，在这样的条件下，现在计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。

⑩ ３Ｇ通信技术

该技术又称为国际移动电话２０００。 11 无线局域网

无线局域网 Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ，简称ＷＬＡＮ 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。

12 无线光系统

无线红外光传输系统是光通 信与无线通信的结合，通过大气而不是光纤来传输光信号。

（1）按传输的信息的物理特征，可以分为电话、电报、传真通信系统，广播电视通信系统，数据通信系统等；

（2）按信道传输的信号传送类型，可以分为模拟和数字通信系统； （3）按传输媒介（信道）的物理特征，可以分为 有线通信系统—利用导线传送信息； 无线通信系统—利用电磁波传送信息； 光纤通信系统—利用光导纤维传送信息。 在无线模拟通信系统中，信道便是指自由空间。

2.3 认知无线电通信的系统组成组成：

发送设备+接收设备+传输媒体。 1. 发送设备

（1）变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。

（2）发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。 （3）天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。 2. 传输媒体——电磁波

在自由空间中, 波长与频率存在以下关系: c = f λ式中: c为光速, f 和λ分别为无线电波的频率和波长, 因此, 无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。 对频

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率或波长进行分段, 分别称为频段或波段。 不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的能力和方式也不同, 因而它们的分析方法和应用范围也不同。无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频率范围很广。

电磁波从发射机天线辐射后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一 部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射；或在大气层中产生折射或散射，从而造成强度的衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象 , 电波的传播方式见图1-3，主要有（a）绕射（地波），（b）反射和折射（天波），（c）直射（空间波） 。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率。

沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波。绕射传播。传播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可靠性高。超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。短波近距离通信也利用地波传播。

天波：利用天空的电离层折射和反射而传播的电波，也叫天空波。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波远距离通信。两个突出特点：一是传播距离远，同时产生中间静区地带，二是传播不稳定，随昼夜和季节的变化而变化。因此，短波通信要经党更换波段，以保证质量。

空间波又称为直射波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。在地面进行直射波通信，其接收点的场强由两路组成：一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收天线，如果天线高度和方向架设不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影）。限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物，因此超短波和微波天线要求尽量高架。

电磁波传输方式，依据波长不同，可分：

波段名称 波长范围 频率范围 波段名称 传播方式 应用场合 长波波段

(LW) 1000～10000m 30～300KHz 低频 (LF) 地波 远距离通信 中波波段

(MW) 100～1000m 300～3000KHz 中频 (MF) 地波， 天波 广播，

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通信，导航 短波波段

(SW) 10～100m 3～30MHz 高频 (HF) 天波，地波 广播， 中距离通信

超短波波段(VSW) 1～10m 30～300MHz 甚高频 (YHF) 直线传播

对流层散射 移动通信，电视广播，调频广播，雷达导航等 分米波波段(USW) 10～1000cm 300～3000MHz 超高频 (UHF) 直线传播

散射传播 通信，中继通信，卫星通信，电视广播，雷达 厘米波波段(SSW) 1～10cm 3～30GHz 特高频 (SHF) 直线传播 中继通信， 雷达，卫星通信

毫米波波段(ESW) 1～10mm 30～300GHz 极高频 (EHF) 直线传播 微波通信，雷达 3. 接收设备 接收是发射的逆过程

（1）接收天线：将空间传播到其上的电磁波→高频电振荡 （2）接收机：高频电振荡 电信号

（3）变换器（换能器）：将电信号 所传送信息

2.4 认知无线电通信的运行流程

通信的信息，经过转换成电信号，并由放大器放大，振荡器产生高频等幅振荡信号；调制器使高频等幅振荡信号被通信信号所调制；已调制的高频振荡信号经放大后送入发射天线，转换成无线电波辐射出去。接收器的接收天线收到空中的电波；调谐电路选中所需频率的信号；检波器将高频信号还原成声频信号(即解调)；解调后得到的通信信号再经过放大获得足够的推动功率；最后经过转换还原出通信内容。

综上所述，可以把无线电通信(广播也属于无线电通信范畴)的发送和接收概括为互为相反的三个方面的转换过程，即：传送信息——低频信号、低频信号——高频信号、高频信号——电磁波。

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信号放大信号还原 通信内容 通信内容 信号转换 信号发送无线电 信号接收信号调解信号解调

针对地震后通信系统出现的问题，由于常用频段信道容量有限，通信量突增会造成信道的堵塞，为了缓解通信线路拥挤的压力，结合认知无线电频谱感知技术，如图2所示表示了一个基于认知无线电的信号传输系统的模型，其中模型的设计就是对被测信号空间进行信号处理，从噪声背景下发现信号和提取信号所携带的信息，并制定检测估计准则，做出有无授权用户存在（或频谱空穴）的检测报告，这就是认知无线电的频谱感知过程，然后将频谱空穴所在频段划分成若干信道，并把基带信号调制到空隙频段上，实际就是频谱搬移，将相对较低的频谱搬迁到较高的频谱上，这样信号就可以在这些高频信道上进行传输了。

检测信号处理 评估 准则 判频决谱空穴 带通滤波1 带通滤波2 带通滤波3 调制1 调制2 调制3 基带信号

进行信号处理，从噪声背景下发现信号和提取信号所携带的信息，并制定检测估计准则，做出有无授权用户存在（或频谱空穴）的检测报告，这就是认知无线电的频谱感知过程，然后将频谱空穴所在频段划分成若干信道，并把基带信号调制到空隙频段上，实际就是频谱搬移，将相对较低的频谱搬迁到较高的频谱上，这样信号就可以在这些高频信道上进行传输了。

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2.5认知无线电在通信领域上的应用

2.5.1认知无线电在宽带无线通信中的应用与研究

OFDM系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式。该调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，其与自适应技术相结合，除了在传统的时间域上自适应外，还更容易利用多载波的频率域，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率等资源，在结合MIMO系统的空间资源，根据用户在不同的位置的不同传输条件，感知环境并且适应环境，并不断地跟踪环境的变化，以合理利用资源、提高系统容量。

自适应频谱资源分配的关键技术主要有：载波分配技术、子载波功率控制技术、多天线层资源分配算法和复合自适应传输技术

要想系统在链路中，更好的检测用户信息，自动调整以适应环境要求其实现过程分以下几步：

第一步：信道估计。因为参考符号是在20 MHz带宽内分布，用户(UE)根据参考符号在全频段内估计各个子载波SINR，分段反馈信道质量，同时结合当前时刻的误帧率，结合信道预测等技术得到当前时刻的UE环境及信道估计信息。

第二步：信息反馈。反馈每个子载波的信息固然精度高，但是反馈开销较大，可将子载波分段反馈，即采用开销小又接近理想的反馈最好。

第三步：CR过程。基站根据用户全频段的信道质量，采用比例公平原则，根据用户需求的数据速率、反馈的信道信息和空间子信道的增益，选择信道条件最优的子载波分配频率资源，根据所分配子载波的信道质量选取合适的调制编码方式及发射功率，结合MIMO进行天线配置选择，空间子信道选择等等，这些都是根据环境感知信息随时间、环境变化调整、学习的过程。

CR是个十分新颖的课题，但演进的过程是分步实现的，要在从800 MHz到5 GHz的全宽带的应用，实现CR所要求的功能，还有很多路要走，实现的复杂度也非常高，但CR的概念为未来无线的发展指明前进的方向，本文所叙述的方法，仅是宽带技术应用的一个方面，即CR的在宽带OFDM系统中如何通过反馈感知环境，系统集中控制频率资源，空域资源使无线设备更有效的适应移动环境的信道变化。

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2.5.2认知无线电在震后应急通信中的应用

了在震后即时开展救援工作，尽快恢复通信系统是至关重要的。根据应急通信的特殊性和要求，在分析了认知无线电的关键技术的基础上，建立了一个基于认知无线电技术的通信模型，提出了解决震后通信线路拥堵并提高频频谱利用率低下的新思路。详细介绍了三种频谱感知的方法：匹配滤波检测、能量检测、周期平稳过程特征检测。认知无线电技术的研究为震后应急通信建设提供了新的思考模式和技术前景。

地震发生時，电信企业都面临两大考验：一方面，通信网络因灾害受到不同程度的损坏，信息通信服务保障能力大大降低；另一方面，灾害发生后，政府和公众均十分迫切地想了解灾情，通信业务“井喷式”增长，形成通信阻塞。面对这两大难题，有人提出要开展重要线路第二路由的建設、通过主干线路的备份建设来提高抗灾能力；还有提出要建立起天地结合、模式多样的应急通信手段。然而这些仅仅只是从线路的建设和途径的多样化上来进行防范，面对灾后应急通信的巨大信息流量，这些线路是否能承受的了如此大信息量？是否会因此又造成通信堵塞？认知无线电技术从解决高频段频谱利用率低下的问题出发，使得无线通信设备可以接入授权的高频空闲频谱，并动态的利用频谱，有望缓解现有通信线路的拥堵问题，为应急通信的建设展开了另一种技术前景。

进行信号处理，从噪声背景下发现信号和提取信号所携带的信息，并制定检测估计准则，做出有无授权用户存在（或频谱空穴）的检测报告，这就是认知无线电的频谱感知过程，然后将频谱空穴所在频段划分成若干信道，并把基带信号调制到空隙频段上，实际就是频谱搬移，将相对较低的频谱搬迁到较高的频谱上，这样信号就可以在这些高频信道上进行传输了。

从研究认知无线电的关键技术出发，结合应急通信的要求与特殊性，可以将其两者有机的结合起来。运用认知无线电技术的频谱感知技术，解决了应急通信中的中频信道拥堵而高频段频谱利用率低下的问题，使灾后的通信线路得到了最大化的改善，应急通信系统的建立为救灾工作节约了宝贵的时间，同时也为发展和建设应急通信系统提供了新的思考模式和技术前景。

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3认知无线电通信的关键技术

3.1 快速频谱感知技术

1、本地感知技术

本地频谱感知是指单个认知用户独立执行某种检测算法来感知频谱使用情况，其检测性能通常由虚警概率以及漏检概率进行衡量。比较典型的感知算法包括：

能量检测算法，其主要原理是在特定频段上，测量某段观测时间内接收信号的总能量，然后与某一设定门限比较来判决主信号是否存在。由于该算法复杂度较低，实施简单，同时不需要任何先验信息，因此被认为是CR系统中最通用的感知算法。

2、协作感知技术

为了克服本地检测的弊端，进一步提高检测性能，协作感知得到了广泛而深入的研究。通过不同次用户间的交互与协作，不仅仅能降低各认知用户的检测灵敏度需求，大幅度提高认知用户的捷变能力，还能有效缓解\隐藏终端\问题以及噪声不确定性等问题。

3、感知机制的优化

Ghasemi和Hyoil Kim等人最先提出了感知机制的优化问题，主要关注感知模式的选择和感知参数的优化。CR网络下，次用户的伺机动态接入频谱过程通常可看成两种感知场景：信道搜索和信道监视。信道搜索是指次用户需要搜索各个信道，寻找可用于传输的空闲频谱。信道监视则是指次用户必须周期性地检测主用户信号，以避免对重新出现的主用户造成干扰。检测周期、检测时间和搜索时间的参数如何选取，以及采用何种感知模式和信道搜索方式，才能使感知效果最优，这都是感知机制的优化问题。

频谱感知模式通常分为被动感知和主动感知。被动感知模式下，次用户只有在需要进行数据传输时才启动感知，通常只能使用一个空闲信道进行传输，并周期性监测该信道。而主动感知模式下，不管是否有数据传输需要，次用户都周期性地检测各个信道。两种感知模式都要避免对重新出现的主用户造成干扰，因此一旦发现当前信道不可用时，需立即启动搜索，直到检测到某个空闲信道后停止搜索并开始新的传输。相比而言，主动感知方式需要检测多个子信道，能量和时间开销比被动感知方式有所增大，但它可以提高传输速率，并且减小认知用户被迫进行信道搜索而导致服务质量(QoS)降低的概率，同时还可以积累大量频谱信息，在重新进行信道搜索时优化搜索方式以提高信道切换能力。

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下步的研究方向主要包括：信道占用模型可适当扩展更一般的情况;分布式协作感知机制的优化问题;基于循环平稳特征检测等方法下的感知机制优化;认知用户之间的干扰可能对感知机制优化的影响;不同的信道条件下，非固定检测周期和搜索次序的感知机制优化;综合考虑最小化主用户干扰、最大化感知性能、最优化QoS等多种优化目标;综合考虑应用层需求、物理层算法和链路层协作与控制等跨层设计优化问题。

3.2 动态频谱管理

现有的无线频谱管理规则采用的是单用途频谱分配方法，就是由无线电频谱管理部门将某个频带划分给某种业务以让该业务所专用。由于这种管理方法是将某个频段分配给某个无线业务运营商(或团体、部门等)专用，故该频段只能由该运营商所属的用户使用，其他用户不能使用该频段。这样，即使前者不使用此频段，后者也无权使用该频段。现有的管理方式是无线电频谱管理机构制定频率使用规则，频率使用者通过书面形式向无线电频谱管理机构申请频率，管理机构再通过书面形式给无线电用户指配频率时间、地域和频段这三个参数确定。特别地，频谱产权可解释为在指定频段上传 输信号的权利，前提条件是在指定的时间段内以及指定的地域范围内使用频谱，并且信号功率不超过指定强度。频谱产权策略允许某些频段的授权用户自由地交易或者出租其频段。然而对于这种频谱改革技术，清楚地定义频谱的权利并且将其作为实物予以执行具有很大的技术难度。

动态频谱分配最早是由欧洲DRIVE项目提出来的，主要应用在商业领域，如第三代移动通信（UMTS）和数字视频广播（DVB.T）。这种DSA策略利用通信业 务在时域和空域上的统计特性，通过对共存的无线业务实现时间相关和空间相关 的频谱共享，以达到提高频谱利用效率的目的。例如，分配给UMTS和DVB.T的频谱量随地区和时间的不同而不同。动态频谱分配策略在指定时间指定地域把 无线频谱的某一部分分配给某一无线接入网，其他用户不得使用，特点是频谱分 配可以动态调整。动态频谱分配策略的主要缺点在于它并不能完全消除和充分利用。

3.3 自适应频谱资源分配技术

由于正交频分复用(OFDM)系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制的传输方式，该调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率、空间等资源，自适应频谱资源分配的关键

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技术主要有：载波分配技术、子载波功率控制技术、复合自适应传输技术。

(1)载波分配技术

认知无线电具有感知无线环境的能力。通过对干扰温度的测量，可以确定“频谱空洞”。子载波分配就是根据用户的业务和服务质量要求，分配一定数量的频率资源。

(2)子载波功率控制技术

认知无线电中利用已授权频谱资源的前提是不影响授权用户的正常通信。 (3)复合自适应传输技术

该技术将OFDM和认知无线电思想以及一系列自适应传输技术结合，从而达到无线电资源的合理分配和充分利用。

3.4信道估计

所谓信道估计，就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程。如果信道是线性的话，那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计。需强调的是信道估计是信道对输入信号影响的一种数学表示，而“好”的信道估计则是使得某种估计误差最小化的估计算法。信道估计算法从输入数据的类型来分，可以划分为时域和频域两大类方法。频域方法主 要针对多载波系统；时域方法适用于所有单载波和多载波系统，其借助于参考信号或发送数据的统计特性，估计衰落信道中各多径分量的衰落系数。从信道估计算法先验信息的角度， 则可分为以下三类：

（1） 基于参考信号的估计。该类算法按一定估计准则确定待估参数，或者按某些准则进行逐步跟踪和调整待估参数的估计值。其特点是需要借助参考信号，即导频或训练序列。

（2） 盲估计。利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征， 或是采用判决反馈的方法来进行信道估计的方法。

（3） 半盲估计。结合盲估计与基于训练序列估计这两种方法优点的信道估计方法。

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4认知无线电的未来发展趋势

4.1国际无线电频谱资源的发展趋势

当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如：德国Karlsruhe大学的F. K. Jondral教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的工作，该工作组正在制定利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。

4.2认知无线电对全球通信行业的影响

2007年世界无线电通信大会2007年于11月16日落下帷幕，经过在4周时间内所召开的1100多次会议上艰难的谈判和妥协，与会的150多个国家在会议上讨论的28项议题均取得了较为满意的结果。作为各国无线电管理的国际框架性、指导性文件——国际电信联盟的《无线电规则》得到了全面的修订，我国代表团也圆满完成各项议题任务顺利回国。国际电联秘书长哈马德图埃博士称赞WRC-07所做出的各项决议是推进世界范围内ICT信息基础设施建设、实现联合国“千年发展目标”非常重要的一步。事实上，本届大会的结果和做出的一系列无线电有关的频率、程序等相关的决议，对于我国移动通信业和国民经济各行业的发展也都将产生深远的影响。

从移动通信技术起步至今，移动通信的发展历程大致可以概括为每10年更新一代，同时信息速率大约增加10倍，一代移动通信技术决定着10年左右的世界电信产业基本格局。因此，IMT-Advanced对于世界电信业的重要意义是不言而喻的

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移动通信的发展历程大致可以概括为每10年更新一代，同时信息速率大约增加10倍，一代移动通信技术决定着10年左右的世界电信产业基本格局。因此，IMT-Advanced对于世界电信业的重要意义是不言而喻的。

4.3对未来认知无线电技术在通信应用中的展望

认知无线电技术并不是一个孤立的技术，如何将其和现有的无线通信技术以及组网方式进行融合，应用到下一代无线通信系统中，已成为认知无线电技术的一个主要发展方向和应用趋势。

基本理论和相关应用的研究，为大规模应用奠定坚实的基础。比较重要的包括：认知无线电的信息论基础和认知无线电网络相关技术，例如：频谱资源的管理、跨层联合优化等等。

未来移动通信的一个重要发展趋势就是宽带多媒体通信, 限制它的主要原因就是频谱资源的紧张以及频谱分配方式缺乏灵活性, 远远不能满足需要。

软件无线电是公认的未来发展方向, 其特殊扩——认知无线电可以应用频谱统筹的技术有效地利用有限的频谱资源, 实现灵活的资源配置和工作模式的调整。可以预见, 认知无线电具有广阔的发展空间。

与现有系统的融合。虽然目前认为认知无线电的应用应该不要求授权用户作任何改变，但如果授权用户和认知无线电用户协同工作，将会便于实现并提高效率。目前，已经有一些研究工作在考虑将认知无线电集成到现有无线通信系统的方法，并取得了一些初步成果。预计未来这方面将会有大量的需求

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5结束语

通过认知无线电通信的全过程，认知随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此，人们提出采用认知无线电(CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。

认知无线电的提出，为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾开辟了一条行之有效的解决途径，是未来无线通信产业的发展方向，正逐渐通过标准化进入产业领域。然而，认知无线电技术从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术需要突破，这也使其成为了近年来无线通信研究的热点。

本文力图对认知无线电通信进行全面而深入的研究，虽然研究取得一定的成果，但是由于受到时间、精力以及笔者自身知识与经验的限制，研究难免仍有许多不足之处。

现在认知无线电还主要处在理论研究阶段，不过从概念提高到现在也不到10年，所以它的发展是相当迅速的。因此，面对如此迅速的发展，认知无线电通信的研究具有非常重要的意义。

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致 谢

在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—陈老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

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参考文献

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[4] 罕拉汉(HuHanrahan) 网络融合:业务、应用、传输和运营支撑[M] 机械工业出版社、2011 [5] 张雪丽，董晓鲁，应急通信新技术与系统应用[M]机械工业出版社、2010 [6] 谢益溪，无线电波传播:原理与应用[M]人民邮电出版社、2008

[7] 约瑟夫·米托拉 Ⅲ（Joseph Mitola Ⅲ）认知无线电架构:无线XML的工程基础西安交通大学出版社、2010年

[8] 蔡跃明，现代移动通信[M]机械工业出版社、2010 [9] 蔡跃明，田华，现代移动通信[M]机械工业出版社,2007 [10] 郭俊强，李成，移动通信[M]北京大学出版社、2008

[11] Notice of proposed rule making and order [R]. FCC Et Docket no. 03-322, 2003. [12] Physical layer aspects for evolved UTRA[R]. 3GPP TR25.814. 2005.

[13] Jondral T A. Software-defined radio-basic and evolution to cognitive radio [J]. Eurasip Journal on Wireless Communications and Networking, 2005 (3): 275-283.

[14] DEVROYE D, MITRAN P,TAROKHV. Limits on communications in a cognitive radio channel

[J]. IEEE Communications Magazine, 2006, 44 (6): 44-49.

[15] IEEE P1900TM/D01. Draft standard definitions and concepts for spectrum management and advanced radio system technologies [S]. 2007 (v 0.28).

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