1.3 认知无线电研究现状

1.3.1 国内外研究现状

自认知无线电的概念提出以来，由于其一系列的特点以及它对解决频谱资源日趋紧张的现状所体现出来的优势，认知无线电技术受到了全世界通信领域的广泛关注。很多研究机构和组织积极投入到对该技术的研究中，其中较有代表性的研究主要有以下几种：

1.频谱池（Spectrum Pooling）系统[10,38]

频谱池（Spectrum Pooling）的概念最早是由Joseph Mitola博士在文献[10]中提出的。之后，这一概念受到了德国Karlsruhe大学Fiedrich Jondral教授的关注，他领导的研究组在德国联邦研究和技术部移动通信项目的资助下，开展了频谱池相关技术的研究[38]。频谱池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信道，因此子信道是频谱分配的基本单位。基于频谱池的动态频谱分配实质上是一个受限的信道分配问题。该问题在以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。Jondral教授提出了基于正交频分复用（OFDM）的中心控制的动态频谱接入频谱池系统，利用OFDM正交载波的特性可以置零特定的子载波从而避免干扰的特性，动态地利用可用频谱资源。研究主要集中在分析频谱共享池技术可能获得的系统带宽利用率增益和中心控制系统的关键算法上，主要包括物理层的频谱检测、接入和干扰抑制、MAC层的调度和切换等。

目前，关于频谱池的研究为认知无线电思想迈向实际应用提供了一个可借鉴的实例。但是，现有的研究没有考虑实现过程中的很多关键技术，如频谱池系统中OFDM的信道估计与预测、信道编译码和多天线对系统的影响，也没有提供链路级和系统级的性能结果，尤其是没有考虑到分布式控制下的频谱池系统。

2.DRiVE/OverDRiVE项目[39,40]

DRiVE项目是欧洲提出的移动环境下提供IP服务的动态无线电工程计划，其目标是通过公共协调信道，在异构网络间实现动态频谱共享[39]。其后续的OverDRiVE项目是移动环境下提供IP服务的动态无线网络实现频谱高效的单播和组播项目，目标是通过将现有的通用移动通信系统（UMTS）进行增强和协调，构成混合网络，确保以频谱高效利用的方式提供移动多媒体服务。目前，DRiVE/OverDRiVE项目主要研究两种动态频谱分配算法[40]：时间动态频谱分配和空间动态频谱分配。时间动态频谱分配是指一个无线接入网络在时间上可以利用其他无线接入网络当前没有使用的频谱资源；而空间动态频谱分配则支持适应不同区域业务变化进行频谱分配。两种动态频谱分配机制的有效性都基于业务量的预期能力。尽管这些项目显示出了提高频谱效率的潜力，但实现时间和空间动态频谱分配的可重新配置系统仍然是一个巨大挑战。

3.E2R项目[41,42]

端到端可重配置（End-to-End Reconfigurability, E2R）项目是由摩托罗拉、西门子、法国电信和英国的几所大学联合发起的，是欧洲委员会第六框架程序里的一个综合性项目[41,42]。E2R项目主要研究通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来，为用户、服务提供商及管理者提供更多可选服务的系统。该项目的主要目的是设计开发可重配置设备，同时研究蜂窝网、无线局域网、数字视频广播（DVB）等多种无线接入系统的共存问题。为实现上述目标，E2R项目引入了动态网络规划管理（DNPM）、高级频谱管理（ASM）和联合无线资源管理（JRRM）。E2R项目从频谱管理的角度扩展了DRiVE/OverDRiVE项目提出的动态频谱分配方法与技术。这一项目除了同时考虑对数据和视频业务的支持问题，还研究并开发了考虑干扰和功率限制的频谱拍卖机制。

E2R项目考虑将博弈论和微观经济学方法作为频谱协商和动态分配的机制。根据E2R的观点，频谱和所有无线资源都被认为是经济货物，并假定信干比（SIR）和功率是最重要的界定符，而不仅仅是考虑频谱的可用性。界定符的使用能更好地表现货物的价值特点。

4.XG项目[43,44]

NeXt Generation（XG）项目是由美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助的下一代无线通信计划，目标是使美国军用通信设备可以检测环境变化，并能够根据所处环境的频谱管理政策进行频谱选择[43,44]。该项目的研究重点包括两个方面：一是开发提供择机频谱接入（OSA）的技术；二是开发灵活管理无线接入行为的框架。其中，实现灵活的频谱分配是XG项目的主要目标之一，如何检测并描述无线电环境、辨认可用频谱以及合理分配频谱构成了整个XG项目频谱共享研究的核心。需要指出的是，XG项目中针对端到端的通信采用的是完全自由的择机频谱接入方式。

5.CORVUS系统[2,45-47]

CORVUS系统是由美国加州大学Berkeley分校的R.W.Brodersen教授的研究组提出来的虚拟非授权频谱系统，目标是通过协调的方式检测和使用频谱[2,45]。CORVUS系统引入了用户分组的思想。认知无线电用户被分成不同的组，组内的用户通信可以采用中心式结构，也可以采用分布式结构。通过组内控制信道协调组内用户的动态频谱使用，通过通用控制信道协调组间的动态频谱分配，从而提出了动态频谱接入下的可靠链路维护协议。CORVUS系统同时也提供物理层的频谱感知功能、信道估计和数据传输功能，链路层管理、链路管理和MAC接入控制。通过CORVUS试验平台测试了其物理层和链路层的性能[46]。最近，CORVUS系统提出一种可靠的链路维护协议，用以维护次用户的通信质量[47]。

6.OCRA网络[32,48]

OCRA网络是由美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室的Ian F.Akyildiz教授等人提出的基于OFDM的认知无线电网络架构[32,48]。该架构考虑了几乎所有异构网络的部署场景，开发了针对基于OFDM的动态频谱接入的跨层操作，并针对频谱决策和切换提出了基于OFDM的新的频谱管理概念。同时，这一架构联合考虑了重新选路和频谱切换的问题，提出了新的路由机制。通过双模频谱共享框架，OCRA网络允许用户进行协调并接入现有网络。此外，OCRA网络引入了多频谱传送技术来利用非连续的可用无线频谱提供高质量通信。

7.Nautilus项目[49-53]

Nautilus项目由微软亚洲研究院和美国加州大学Santa Barbara分校的郑海涛教授的研究组合作发起，主要目标是不依靠中心控制的方式实现分布式的频谱共享[49]。Nautilus项目提出了一个分布式、可伸缩并能够进行有效协调的开放频谱接入网络框架。该框架可以不依靠预先定义的公共信道进行业务控制，并处理频谱的异构性[50,51]。基于这个框架结构，提出了三种不同的协作式频谱接入方案。第一种是基于图论的协作式频谱接入方案[50]，用于固定拓扑结构的拓扑最优分配算法。应用该算法，当频谱改变时，网络需要全部重新计算每个用户的频谱分配，从而导致了高计算量和通信开销。第二种是基于局部讨价还价的分布式频谱分配[52]。这种算法中移动用户与本地用户协商频谱分配。第三种是针对资源受限网络（如传感器和Ad hoc网络），提出设备中心频谱管理算法[53]。该算法中非授权用户根据本地观察和预先规则独立地接入频谱。目前，该工程主要研究利用已提出的分布式协作结构为数据传输选择最佳的信道。

8.DIMSUMnet系统[54-56]

DIMSUMnet系统是由朗讯贝尔实验室和Stevens理工学院的研究人员提出的泛在移动网络动态智能频谱管理系统，旨在通过协调接入频段实现频谱统计复用接入的网络体系结构[54]。DIMSUMnet系统采用统计复用的接入方式，使频谱利用率得到提高，同时在公平性方面也有所兼顾。DIMSUMnet系统的核心思想就是引入了中心控制、区域网络级的频谱经纪人机制，该经纪人在一定的网络范围内掌管所有的“交易”，处于中心控制的地位。这样做的优点是，在提高了频谱利用效率的同时，系统的总体复杂度以及对其灵活性的需求均得到了降低。目前，DIMSUMnet的研究主要着重于以下两个方面：一是通过对现有CDMA和GSM蜂窝网络频谱利用率的大量测量来研究通过协调动态频谱接入提高频谱利用效率的可能性[55]；二是研究宏蜂窝网络场景下的频谱定价和分配算法[56]。

9.ITMA[15,57-58]

干扰温度多址（ITMA）是由美国Maryland大学Park学院和美国国防部电信科学实验室的T.Charles Clancy III和William A.Arbaugh提出的新的动态频谱分配概念[57]。ITMA引入了FCC关于干扰温度（Interference Temperature）[15]的概念，利用认知无线电的能力感知环境并以每个发送分组为单位选择带宽和功率。ITMA利用干扰温度和CDMA统一进行动态频谱分配、介质访问控制和功率控制。当一个节点打算传输数据时，它首先测量干扰温度，然后根据干扰温度的门限、所需要的容量及传输距离来确定带宽和功率，并选择适当的频谱进行数据发射。当前，关于ITMA的主要研究结果包括物理层和MAC层的设计、网络容量的分析和仿真[58]。

10.国内认知无线电研究项目

2005年7月，国家高技术研究发展计划（863）设立课题研究认知无线电技术，以清华大学为首的多所高校参与了该课题，对认知无线电物理层和MAC层关键技术、协议体系结构、应用场景分析等方面做了具体深入的研究。

2008年年初，中国国家重点基础研究发展计划（973）在信息领域研究专项中启动认知无线网络基础研究；2008年2月，中国国家自然科学基金委信息科学部根据通信领域发展需求，在认知无线电领域设立重点项目群，拟支持4～6个重点项目。

总之，认知无线电是近年来通信领域的研究热点，且具有良好的发展态势，国内外对认知无线电网络技术的研究一直都很活跃，新的理论框架和协议算法不断地被提出，为更合理有效地利用频谱资源做出了努力和贡献。

1.3.2 标准化进程

随着对认知无线电技术研究的不断深入，许多国际标准化组织与行业联盟都展开了认知无线电系统标准化的工作，并开始着手制定认知无线电的标准和协议，以推动该技术的发展和应用。目前，涉及认知无线电标准制定的组织和行业联盟主要有美国电气电子工程师学会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）和软件无线电论坛（SDR）等。其中，IEEE对于认知无线电技术的标准化推进工作比较积极，目前正在制订的与认知无线电相关的标准包括：IEEE 802.22、IEEE 802.16h、IEEE SCC41/IEEE 1900、IEEE 802.11h及IEEE 802.11y等，下面简要介绍各标准的制定情况。

1.IEEE 802.22[59]

2004年10月，IEEE正式成立了IEEE 802.22工作组，这是第一个世界范围内的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织[59]，对认知无线电技术的演进和发展具有重要意义。IEEE 802.22系统也被称为无线区域网络（WRAN），系统工作于54～862 MHz的VHF/UHF频段上空闲的电视广播（TV）频段，专门研究如何利用认知无线电技术将TV频段用作宽带无线接入，即为没有TV频道使用许可证的无线设备制定基于认知无线电的物理层和MAC层空中接口标准，以使得这些设备能够工作于该频段而不对电视广播业务产生干扰。为了与各种电视标准兼容，它的信道带宽包括6 MHz、7 MHz和8 MHz三种。

IEEE 802.22系统定义了一个固定的点对多点的无线空中接口，必须由一个基站和至少一个认知用户终端（CPE）构成。基站负责管理整个小区和相关的所有认知用户终端。除了传统的基站功能之外，IEEE 802.22系统的基站还必须具备分布感知的能力，即能够指导用户设备对不同的信道进行分布式的测量工作。基站根据收到的反馈信息和自身感知到的信息决定下一步的行动，如改变发射频率、发射功率等传输参数，以避免对TV频道的各种法定授权业务造成干扰。由于基站必须兼顾对法定授权用户的保护，因此，合理的频谱检测任务、合理的动态频率分配策略，都是IEEE 802.22标准的关键问题。

2.IEEE 802.16h[60]

1999年，IEEE成立了IEEE 802.16工作组，专门开发宽带固定无线技术标准（WiMAX），目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。但是，随着IEEE 802.16系列规范的不断制定和完善，频谱资源问题成为制约其发展的关键问题。因此，2004年12月，IEEE专门成立了致力于解决共存问题的IEEE 802.16h工作组，专门研究如何利用认知无线电技术使IEEE 802.16系列标准可以在免授权频段获得应用，并降低对其他系统的干扰，以确保基于IEEE 802.16的免授权系统之间的共存以及与授权系统之间的共存。

3.IEEE 802.11h[61]和IEEE 802.11y[62]

1997年，IEEE发布了IEEE 802.11标准，这是在无线局域网（WLAN）领域内的第一个国际认可的标准。IEEE 802.11系统工作于2.4 GHz的工业/科学/医用（ISM）频段。IEEE 802.11a是IEEE 802.11原始标准的一个修订标准，于1999年获得批准，系统工作于5 GHz频段，支持多达24个不重叠的信道。但是，由于不同国家5 GHz频段的使用情况不尽相同，IEEE 802.11a系统不可避免地会遇到与工作在该频段的其他系统（如雷达）相互干扰的问题。

IEEE 802.11h是主要针对IEEE 802.11a系统的干扰问题所提出的，其主要目的是使基于IEEE 802.11a的无线系统避免与同频段（5 GHz）的雷达或其他同类系统之间的干扰，保障无线通信的畅通[61]。为实现这个目的，IEEE 802.11h对IEEE 802.11a的物理层和IEEE 802.11的MAC层进行了改进，引入了两项关键技术：一是动态频率选择（DFS），该技术定义了一种检测机制，当检测到有使用相同无线信道的其他装置存在时，可根据需要转换到其他信道，以避免相互干扰；二是传输功率控制（TPC），该技术旨在通过降低WLAN装置的无线发射功率，减少WLAN与其他系统的相互干扰，从而达到更好的网络性能。可以看出，动态频率选择技术实际上已经属于认知无线电的范畴。

IEEE 802.11y主要是基于原先用于卫星通信服务的3.65～3.7 GHz频段而开发的，FCC在2005年7月将该频段作为免执照频段向公众开放。IEEE 802.11y的主要目的是规范在此频段上进行的WLAN通信的机制，避免对该频段中的其他通信系统带来干扰，并制定标准化的干扰避免机制，以便与其他通信系统共享该频段[62]。IEEE 802.11y扩展了IEEE 802.11h的动态频率选择技术，在通信之前定义了传输初始化的过程，确定信道使用状况的方法，检测到信道忙时的重传机制等内容。借助OFDM技术的子载波分配等特点，IEEE 802.11y可实现多种带宽间的快速调整和灵活切换，从而避开授权用户的工作频段，降低对授权用户的干扰，提高系统的鲁棒性和灵活性。

4.IEEE SCC41/IEEE P1900[63]

2005年，IEEE成立了IEEE P1900标准组，进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究[63]。IEEE P1900标准组的主要目标是为不同的无线电设备与频谱制订总体结构，使他们能够共融互通并进行动态频谱分配，其对于认知无线电技术的发展以及与其他无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。IEEE P1900包含IEEE 1900.1～4四个工作组。2007年，IEEE P1900工作组被更名为IEEE标准协调委员会（IEEE SCC41），继续致力于下一代宽带无线通信系统中的高级频谱管理技术研究，并开始考虑商用开发，如认知无线电、动态频谱接入等。IEEE SCC41将IEEE P1900原来的四个工作组扩展为六个，即IEEE 1900.1～6，其主要任务介绍如下：

● IEEE 1900.1主要定义和解释有关下一代无线电系统和频谱管理的术语和概念；

● IEEE 1900.2主要为干扰和共存分析提供操作规程建议，提供分析各种无线服务共存和互相间干扰的技术指导方针；

● IEEE 1900.3主要为软件无线电的软件模块提供一致性评估的操作规程建议；

● IEEE 1900.4主要通过网络资源管理、设备资源管理及网络与设备之间的协商，来优化无线资源分配和动态频谱接入，以改进系统容量和服务质量；

● IEEE 1900.5主要定义一整套在不同厂商的兼容设备间进行互操作的策略原语，用于描述动态频谱接入等功能；

● IEEE 1900.6主要定义一个用于无线系统中，信道感知模块与其他模块之间的可扩展的接口框架和数据结构，它不依赖于任何一种具体的无线技术，使得今后出现的其他无线技术仍然能够继续使用。