一、 概要

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對通信速率（尤其是數(shù)據(jù)傳輸速率）的需求也越來越高。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越大，從而導(dǎo)致適用于無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，如何有效地盤活那些閑置的頻譜資源，解決這一制約無線通信發(fā)展的新瓶頸？美國科學(xué)家Joseph Mitola博士提出了認(rèn)知無線電（CR）的概念。

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)是在軟件無線電的基礎(chǔ)上，依靠人工智能的支持，將無線電系統(tǒng)從預(yù)置程序的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成為無線電領(lǐng)域的智能Agent。認(rèn)知無線電能感知無線通信環(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)，提出了相對簡化的定義：認(rèn)知無線電要“感知”周邊環(huán)境的頻譜使用狀況以檢測出“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?！案兄本褪悄茉谝欢ǚ秶目沼?、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)來充分利用“頻譜空洞”。

認(rèn)知無線電采用交叉共享的頻譜訪問方式，即采用正常發(fā)射功率，在同一區(qū)域內(nèi)使用未利用頻段來避開其他用戶的干擾，同時(shí)不對其他用戶造成干擾。因此，認(rèn)知無線電又稱為頻譜捷變無線電(Frequency Agile System)。為了形象起見，以路面車輛交通控制作類比來說明這個(gè)問題,見下圖1。

圖1：現(xiàn)有頻譜政策與使用認(rèn)知無線電的頻譜使用構(gòu)想的比較

二、認(rèn)知無線電的頻譜管理

具有認(rèn)知無線電功能的通信終端在非授權(quán)狀況下使用無線頻譜，是對現(xiàn)有固定頻譜劃分模式的一次挑戰(zhàn)和技術(shù)革命。如何對這種嶄新的用頻方式進(jìn)行有效管控，非常值得當(dāng)今無線電管理者進(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)手段來支撐。

三、頻譜監(jiān)測與占用度分析

通過日常頻譜監(jiān)測積累了豐富的數(shù)據(jù)。同時(shí)，各級無線電管理部門對所轄區(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。 通過電磁兼容分析和頻譜占用度的分析和比較，推測并評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)知無線電使用。下面的頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)是在某棟建筑室內(nèi)和室外分別測量的，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和處理。

圖2：監(jiān)測位置和測試設(shè)備

圖3：頻譜測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)（左：9F 室外，右：3F 室內(nèi)）

從上圖3 可看出，監(jiān)測點(diǎn)位置不同，實(shí)際頻譜測量結(jié)果有很大差異。室內(nèi)監(jiān)測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)（見圖4）結(jié)果表明：GSM蜂窩移動業(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 蜂窩移動業(yè)務(wù)的下行信號中，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) 對于固定業(yè)務(wù)，一般采用方向性極強(qiáng)的天線，若監(jiān)測地點(diǎn)選擇的不合適（如監(jiān)測地點(diǎn)位于 發(fā)射天線方向性圖的旁瓣或后瓣方向），信號衰減嚴(yán)重，可能淹沒在噪聲之中，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，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。

總的來說，頻段占用度低意味著該頻段可考慮作為某認(rèn)知無線電的候選頻段，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-----如移動通信的上行頻段及點(diǎn)對點(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)知無線電業(yè)務(wù)的白空。同時(shí)，還需要對工作頻段隨時(shí)間在黑空、灰空和白空之間進(jìn)行動態(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

認(rèn)知無線電，為解決無線通信需求與有限的頻譜資源之間的矛盾開辟了一條行之有效的途徑，是未來無線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向；然而，認(rèn)知無線電技術(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無線通信研究的熱點(diǎn)。