1.4.1　认知无线电

随着无线通信技术的快速发展和广泛应用，各种无线通信设备竞争使用频谱资源。同时，根据美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）的研究，只有很少一部分频谱资源被频繁使用。因此有效提高频谱利用率具有重要意义，认知无线电便是有效提高频谱资源利用率的方法之一[31]。

1. 基本概念

1999年，Joseph Mitola博士首次提出认知无线电（Cognative Radio，CR）的概念，他认为认知无线电可以使软件无线电从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（Radio Knowledge Representation Language，RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2005年，Haykin从通信角度对认知无线电进行了定义，指出它是一个智能的无线通信系统，可以自动地感知周围频谱的使用情况，在不影响授权用户正常通信的前提下利用空闲的频谱资源。

认知无线电中具备认知功能的用户称为次用户，与之对应的是具有频谱使用权的主用户。次用户可以使用未被主用户利用的授权频谱。同时，次用户需要在主用户再次接入时，立即撤离正在使用的频谱，并感知其他可用的空闲频谱。因此，次用户首先应具有频谱感知的能力，在此基础上结合有效的频谱共享策略，与其他用户共享有限的频谱资源；其次，合适的功率控制技术是次用户动态接入授权频谱的重要保障。在最小化对主用户干扰的前提下，提高系统的吞吐量、改善次用户的服务质量。认知无线电技术被认为是下一代无线通信与网络的核心技术，是在满足用户端到端服务需求的前提下高效利用网络资源的最佳方法。

2. 主要特点

1）对环境的感知能力

此特点是CR技术成立的前提，只有在环境感知和检测的基础上，才能使用频谱资源。频谱感知的主要功能是监测一定范围的频段，并检测频谱空洞。

2）对环境变化的学习能力、自适应性

此特点体现CR技术的智能性，在遇到主用户信号时，能尽快主动退避，在频谱空洞间自如地切换。

3）通信质量的高可靠性

要求系统能够实现任何时间、任何地点的高度可靠通信，能够准确地判定主用户信号出现的时间、地点、频段等信息，及时调整自身参数，进而提高通信质量。

4）系统功能模块的可重构性

CR设备可根据频谱环境动态编程，也可通过硬件设计，支持不同的收发技术。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。

3. 体系及标准[20]

主/次用户之间的频谱资源共享是认知无线电的核心思想。认知无线电的体系结构具有多样性，主要包括广播电视网络、蜂窝网络、无线局域网（WLAN）及无线城域网（WMAN）等。美国国防高级研究计划局在xG（Next Generation）项目中提出了一种基于认知无线电的下一代网络结构，如图1-6所示。从网络组成看，该网络由主用户网和次用户网组成。其中主用户网主要指现存的网络结构，次用户网包括固定基础设施和自组织，具有认知功能。

从频谱资源看，该网络由授权频段和非授权频段组成。对于授权频段，主用户享有优先使用权，次用户只能伺机接入空闲的授权频谱；对于非授权频段，次用户无须授权即可使用，工作在这些频段的设备相互之间会产生严重干扰。为了不影响用户的通信质量，利用认知无线电技术使各用户能够动态地自适应接入空闲频谱，进而有效地提高频谱利用率。

认知无线电的标准主要有基于认知无线电技术的无线通信系统标准802.22和涉及动态频谱接入技术的IEEE SCC41，IEEE还有一些标准涉及认知无线电技术，如IEEE 802.11（Wi-Fi）、IEEE 802.15.4（ZigBee）和IEEE 802.16（WiMAX）。

4. 应用领域

1）白频谱

白频谱指那些分配给广播电视，但实际上没有被充分使用的频段。WRC07大会上通过了一项决议，释放广播电视频段的部分VHF/UHF频段供移动通信系统使用。VHF/UHF频段穿透性好，覆盖范围大，利用认知无线电技术对该频段的再次利用，可以有效缓解频谱资源匮乏的问题。

2）能量收集

电池是无线设备的主要能量来源。电池本身寿命有限，需要定期更换与维护，同时也会造成环境污染。这些问题使得人们开始寻找一种可持续、环保的供电方式。其中，能量收集技术受到了人们的广泛关注，可收集的能量包括太阳能、热能及电磁波等多种形式。开发具有能量收集功能的认知无线电系统，在提高频谱资源利用率的同时，增加次用户的工作时间，并对主用户正在使用的繁忙信道进行能量的收集。