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1、认知无线电在宽带无线通信系统中的应用 摘要：认知无线电技术(CR)是软件无线电技术的演化，是一种新的 智能无线通信技术。认知无线电技术的主要特点，就是根据环境不 断调整参数以适应通讯的需求从而提高通讯质量。目前宽带无线通 讯系统有正交频分复用(OFDM) ，多输入多输出(MIMO) 等关键技术。 将 CR 引进 OFDM 系统中，采用特殊的导频设计，感知宽带的传输 特征，从空间、时间、频率、调制方式等多维度共享无线频谱，能 提高频谱利用的灵活性，有效抑制窄带干扰。LTE 是由 3GPP 定义 的下一个移动宽带网络标准，基于 OFDM、MIMO 等关键技术，论 述了实现 CR 的过程。 关键词：
2、认知无线电；多入多出；正交频分复用；混合自动重发请 求；自适应调制和编码 Abstract: Cognitive Radio (CR) is the evolution of Software Defined Radio (SDR) as a new intelligent wireless communications technology. The main task of CR is adjusting parameters according to the environment to adapt to the demands of communications and improve
3、 its quality. Nowadays, the key techniques of broadband wireless communications include Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), and Multiple Input Multiple Output (MIMO). Adopting CR in the OFDM system with a special spectrum design to apperceive the transmission characteristics of broadb
4、and, and sharing wireless spectrum from the view of time, space, frequency and modulation, could improve the flexibility of spectrum utility and restrain the narrow-band interference. Long Term Evolution (LTE) is the next mobile broadband network standard of 3GPP. Its based on OFDM and MIMO，discussi
5、ng the realization of CR. Key words: CR; MIMO; OFDM; HARQ; AMC 认知无线电(CR)的概念是由 Joseph Mitola 博士提出的，就是 在软件无线电的基础上，增加检测需求并主动改变功能的能力，使 无线设备能自动适应外界环境和自身需求的变化。其常见的三种频 率资源管理方式是：集中式，分布式和集中分布式。正交频分复用(OFDM)是集中式管理又是频谱资源利用率目前最 高的技术，比较容易实现频谱资源控制管理，也是宽带无线通讯系 统关键技术。对认知无线电如何与宽带无线通讯技术结合的研究， 将根据从频谱检测和信道估计与预测获得的可用空闲频段
6、的信道信 息，同时结合空、频、时多维的自适应数据传输研究，及相应的传 输参数研究，如 OFDM 的各子载波上的功率、数据速率、调制方法 及编码方式、多天线的空域选择、各个用户分配的子载波数量及位 置。整个检测跟踪学习过程是一个复杂的优化问题。 1 认知无线电的特点CR 系统是可以感知外界通信环境的智能通信系统，通过学习不 断地感知外界的变化，并自适应地调整其内部的通信机理来达到对环境变化的适应，即具备检测、分析、调整、推理、学习等过程， 这一系列的过程组成认知循环。这样的自适应调整过程一方面改进 了系统的稳定性，另一方面提高了频谱资源的利用率。由此可知，CR 具有以下几个特点：对环境的感知能力
7、对环境变化的学习能力对环境变化的自适应性通信质量的高可靠性对频谱资源的充分利用系统功能模块的可重构性 2 宽带无线技术2.1 正交频分复用技术OFDM 是一种多载波传输技术，在频域内将所有信道分成许多 正交子信道，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各 子载波并行传输。宽带系统存在的主要问题是：在频域上，多径信道呈现出频率 选择性衰落的特性，引起了信号间干扰。为了克服这种衰落，将信 道在频域上划分成多个子信道，每个子信道的频谱特性都近似平坦， 在整个频带内，衰落只会影响 OFDM 的子信道的一部分；同时由于 OFDM 各个子信道相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，可以很 大限度地利用频
8、谱资源。 2.2 多输入多输出技术多输入多输出(MIMO)技术最早是由 Marconi 于 1908 年提出来 的，它利用在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅度 地提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。MIMO 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布 的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。空时编码技 术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，通过 在接收端和发射端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编 码、调制，使 MIMO 成为热点研究技术。2.3 HARQ 技术和 AMC 技术混合自动重发请求(HARQ) 和自适应调制编码技术(AMC)是高速
9、数据传输的基础，AMC 是根据无线信道变化自适应选择最合适的调 制和编码方式，及功率分配等参数，每条链路都可以独立调制最大 限度的发送信息，使用户达到尽量高的数据吞吐率。HARQ 比单独 的链路自适应有更大的增益，因为它融合了前向纠错(FEC)技术和传 统自动重传请求(ARQ)技术的优势，因此提供了更高可靠性的端对 端连接。随着 4G 无线通信网络研究的开展，数据速率和业务质量要求 越来越高的条件下，HARQ 是一个值得深入研究的技术。 AMC、HARQ 如何和 OFDM 技术、MIMO 技术等结合使用，都是研 究的热点。3 技术融合可行性分析OFDM 系统是目前公认的比较容易实现频谱资源控制
10、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。(1)载波分配技术CR 具有感知无线环境的能力。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。检测到的宽带资源是
11、 不确定的，随时间、空间、移动速度等变化。OFDM 系统具有裁剪 功能，通过子载波的分配，即在频段内对于用户来说，信干噪比 (SINR)较高的不规律和不连续子载波的频谱资源进行整合，按照一 定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，确定每个子载波传输 的比特数量，选取相应的调制方式，实现资源的合理分配和利用。(2)子载波功率控制技术由于分配给用户的功率和子载波数一般是成比例的，功率控制 算法在经典的“注水” 算法的基础上，有一系列的派生算法1。这些算法追求的是功率控制的完备性和收敛性，既要不造成干扰又要使 认知无线电有较好的通过率，且达到实时性的要求。事实上功率控 制算法和子载波分配算法是密不可
12、分的。这是因为在判断某子载波 是否可以使用时，就要对现状( 空间距离、衰落) 做出判断，同时还 需要计算出可分配的功率大小，对于一个用户如果速率一定，如子 载波数目增加所需的功率就会下降。(3)多天线资源分配该技术基本思路是把系统的 MIMO 信道看作是 M 个平行的独立 子信道的集合(M 是信道特征矩阵 H 的秩)，各个子信道的增益则由 其对应的奇异值来决定。发送端会在增益较多的子信道上分配更多 的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分 配能量，从而在整体上充分利用现有资源，达到最大传输容量2。 可以看出空域资源的分配是和功率分配密切结合的，同时多天线应 用时针对不同的应用
13、场景选则不同的方式，既可用增加的子信道提 高信息传输率，也可在传输率不变的情况下增加信息的容余度来提 高可靠性；而且 MIMO-HARQ 组合如：两流传输时如都出现错误， 可以考虑重传时采用 SFBC 等空时频域编码技术，而单流出现错误 可以考虑 CDD 等空时方法重发；MU-MIMO 可以根据多用户的反馈 信息在空域切换等等技术都为更好的应用空域资源提供了各种应用 场景。(4)复合自适应传输技术 该技术将 OFDM、MIMO 和 CR 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。为了寻求保证 服务质量和最大通过率下的最佳工作状态，自适应传输技术包括动 态子载波
14、分配技术、自适应子载波的功率分配技术、自适应调制编 码技术，多天线层选择等一系列自适应技术，形成优化的自适应算 法。根据子载波的信噪比(SNR)，基站自适应地调整与通信终端的建 立链路工作参数，从而达到最佳工作状态。设计合理的自适应传输 技术可以大幅提高频谱资源利用率和通信性能。 4 在 LTE 中实现 CR3GPP 长期演进(LTE)项目是近两年来 3GPP 启动的最大的新技 术研发项目，这种以 OFDM/FDMA 为核心的技术可以被看作“ 准 4G” 技术。3GPP LTE 项目的主要性能目标包括：在 20 MHz 频谱带宽能 够提供下行 100 Mb/s、上行 50 Mb/s 的峰值速率
15、3；在时间和频 率, 及 4 根天线上插入导频信号，如图 1 中的导频图样，由于这些导 频信号分布在时间和频率及 4 个天线上，4 个天线上的导频在设计 时保持正交，这样通过接收端的检测就能反映出信道的特征。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
16、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。 5 结束语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。 6 参考文献
