认知无线电原理及应用

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近几年来，国际学术界和IEEE标准化组织愈来愈对认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术感兴趣，称其为未来无线通信领域的“下一个大事件”（Next Big了hing）。
本书通过5章内容来阐述认知无线电及实现认知无线电的代表性技术途径，介绍超宽带认知无线电和IEEE 802.22标准。第1章主要介绍Mitola提出的认知无线电以及当今学术界和工业界主要研究的频谱感知认知无线电；第2章探讨了认知无线电在PHY和MAC层上感知周围无线环境的方法及算法，主要讲解动态频谱感知、频谱管理和频谱共享方面的技术；第3章主要介绍了如何产生频谱灵活的认知无线电脉冲波，它们能够动态地对频谱分配策略和干扰要求做出反应，进而无缝地修正它的发射波形以适应特定的无线环境；第4章介绍了认知网络中节点间的协作机制以及由多个节点构成约网络的整体优化设计技术，介绍了超宽带认知无线电网络（Cognitive UWB Networks）节点间的合作方案等；第5章主要介绍了IEEE 802．22标准的现状及未来发展趋势。
本书内容丰富，图文并茂，可作为相关专业大学生与研究生的教材，也可供广大从事认知无线电技术研究和应用的工程技术人员参考。

第1章 认知无线电的定义及超宽带认知无线电演进
1.1 认知无线电的定义和结构
　　1.1.1 Mito1a的认知无线电
1.1.2 频谱感知认知无线电
1.1.3 认知无线电的能力
1.1.4 认知无线电的物理层结构
1.1.5 认知任务
1.1.6 认知无线电的应用
1.2 超宽带认知无线电的演进和定义
1.2.1 超宽带无线电技术的背景和简介
1.2.2 超宽带认知无线电演进
　本章参考文献
第2章 无线环境分析和信号探测策略
　2.1 频谱感知
　2.1.1 发射机探测
　 2.1.2 合作探测
　 2.1.3 基于干扰的探测
　 2.1.4 频谱感知的难点
　2.2 频谱管理
　 2.2.1 频谱分析

　　近两年来，学术界和IEEE标准化组织愈来愈对认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术感兴趣，并将其称为未来无线通信领域的“下一个大事件”(Next Big Thing)。无线频谱是一种珍贵的自然资源，它的分配利用通常是由无线电法规部门确定的。目前世界各国采用的是基于静态(固定)频带分配的原则与方案。近年来，通信界普遍认识到，固定频带分配是造成当前频谱资源日趋缺乏的一个主要原因。2002年11月，美国联邦通信委员会(FCC)发布了一项由Spectrum-Policy Task Force提交的旨在有效管理美国频谱资源的报告。该报告明确指出：“在许多频带，频谱的准入是一个比频谱本身稀缺更加重要的问题，很大程度上是由于法规限制了这些频谱上的潜在用户获得准入。”事实确实如此，如果审视包括郊区在内的各类地域内的频谱占用率，将会发现一些频带在绝大多数时间是未被占据的；一些频带是部分时间被占据的；而另外一些频带则是被密集使用的。这种频谱利用不均的情况引导了通信业界研究人员去思考“频谱孔”(Spectrum Holes)这样一个崭新概念，即“一个频谱孔是分配给法定用户的频带，但是，在某一指定时间和空间，在法定用户不占用这一频带的情况下，此频带可以被其他用户使用。”这样，频谱资源的潜在利用率可以得到明显提高。认知无线电技术相应地被认为是未来探索频谱孔特性、高效利用无线频谱的主要手段。.
　　从原理上讲，认知无线电能够通过对它所工作的无线通信环境的交互感知而自动改变自身的发送和接收参数)从而动态地重复使用可用频谱。这种交互感知包括被动的频谱感知或者是基于认知无线电本身的智能学习推理能力以便与其他频谱用户进行主动通信和协商的过程。通过优化自组调节自身的发射与接受特性以适应周围的无线环境，认知无线电的无线链路层和网络层能以最优化的方式在有限的信号空间中有效地传送信息，为日益拥挤的无线通信系统和设备实现频谱资源的高效利用、共存、兼容和互动展示了美好的前景。
　　2003年12月30日，美国联邦通信委员会发布了关于认知无线电技术及其应用的政策制订提案公告(NPRM)。根据该公告(1.3)，认知无线电被容许的可能应用情景之一将会是：“认知无线电能够使没有与法定用户达成自愿协议且无频谱使用许可的用户接入频谱。譬如，在法定用户不曾占用的某一频带的时间或空间段上占用该需要使用许可的频段。”
　　基于上述的可能应用情景，可以认为超宽带(UWB)无线通信系统是通向实现认知无线电的首个在技术实用层面上比较适合的步骤。UWB系统的超带宽、低功率、近似于噪声的信号特性，以及通过控制噪声干扰水准从而与已经申请了频率使用权的窄带通信系统共存并同时在该合法(Licensed)频带上进行信号传输是其魅力所在。然而，要使UWB发射信号的波形设计符合世界各地任意发射频谱模板(Spectral Mask)的限制，同时还要满足抗干扰、产生低干扰和高速传输的要求的确是一件极其富有挑战性的事情。因此，探讨UWB与认知无线电技术的结合具有特殊意义：..
　　·UWB无线电面临周围窄带无线通信系统的严重干扰，同时它也对周围的窄带通信系统构成严重的干扰，因此利用认知无线电技术来实现协作共存策略，将获益匪浅；
　　·从定义来讲，UWB是一种“衬于底层”(Underlay)的通信技术，和传统的窄带非认知无线设备能实现共存，因此可以认为这是引进认知无线电概念的最现实和实用的环境；
　　·UWB设备本身具备很宽的工作频谱，又可以进行测频，从而使得它成为能适应多种无线工作环境的通用物理层(PHY)的理想候选对象。
　　从这个背景和动机出发，在此提出并探讨一个全新的无线通信技术领域，即超宽带认知无线电及其演进(Cognitive Ultra-Wideband Radio Evolution)，旨在充分利用UWB无线技术作为认知无线电的一种具体实现手段。
　　同时，IEEE 802.22工作组目前正在制定首个基于认知无线电技术的网络空中接口标准。工作在TV频带的这个标准采用了诸如频谱感知、法定用尸探测和干扰避免以及频谱管理等技术来实现802.22系统与法定许可业务的共存以及它们之间的自共存，从而有效地共享无线电资源。IEEE 802.22是把认知无线电技术由概念变成现实的首个标准作业，工作组目前所做的工作在许多方面都是基础性的，它对于认知无线电技术的演进和发展具有重要意义。
　　本书作者将通过5章内容来阐述认知无线电及实现认知无线电的代表性技术途径，介绍超宽带认知无线电和IEEE 802.22标准。
　　第1章主要介绍Mitola提出的认知无线电以及当今学术界和工业界主要研究的频谱感知认知无线电；讲解认知无线电的物理层结构和认知任务，并阐述超宽带认知无线电的演进。第2章探讨认知无线电在PHY和MAC层上感知周围无线环境的方法及算法，主要讲解动态频谱感知、频谱管理和频谱共享方面的技术。通过这些技术，认知无线电设备可以生成可用频谱的实时映射，并对频谱进行动态管理，从而高效地利用频谱。第3章主要介绍如何产生频谱灵活的认知无线电脉冲波，它们能够动态地对频谱分配策略和干扰要求做出反应，进而无缝地修正它的发射波形以适应特定的无线环境。首先介绍了脉冲基本波形以及采用基本波形产生符合FCC频谱发射规定要求的UWB脉冲；接着介绍了软频谱适配SSA技术，以及各正交脉冲间的最佳传输功率分配方案；最后介绍了基于脉冲UWB和基于MB-OFDM UWB的认知适配波形的产生。第4章为读者介绍认知网络中节点间的协作机制以及由多个节点构成的网络的整体优化设计技术及超宽带认知无线电网络(Cognitive UWB Networks)节点间的合作方案等，还将简单介绍在普适通信/计算环境(Pervasive Communication/Computing Environments) 中的一种新型网络BIO-NETS。第5章主要介绍IEEE 802.22标准的现状及未来发展趋势。IEEE802.22工作组目前正在制定首个基于认知无线电技术的网络空中接口标准。工作在TV频带的这个标准采用了诸如频谱感知、法定用户探测和干扰避免以及频谱管理等技术来实现802.22系统与法定许可业务的共存以及它们之间的自我共存，从而有效地共享无线电资源。
　　由于时间仓促，书中难免有不妥之处，敬请读者指正。...
　　作者于意大利TRENTO
　　2007年3月