1.1.2 认知无线电的研究背景

软件无线电是一种载波频率、信号带宽、调制方式、网络接入等特性均由软件定义的无线电技术。

1. 软件无线电的特点

软件无线电的优势主要体现在以下几个方面：

（1）系统结构通用，功能实现灵活，升级换代方便；

（2）易于实现不同系统间的互操作；

（3）由于它通过软件实现系统的主要功能，因此更易于采用新的信号处理手段，从而提高系统抗干扰的性能；

（4）拥有较强的跟踪新技术的能力。

但是，软件无线电的实现还需要克服以下技术难点：

（1）多频段天线的设计；

（2）宽带A/D、D/A转换；

（3）高速数字信号处理器（DSP）。

因此，软件无线电还是有待改进的。

2. 频带分配

频谱是通信能够使用的唯一资源；与水、空气等自然资源一样，频谱也是一种日益短缺的资源。

频谱资源的统筹规划是由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）管理的。在国内，频谱管理是由国家频率管理委员会下属的国家频率管理研究所进行的。

频带分配的不同原则：

（1）基于静态频带的分配原则；

（2）基于动态频带的分配原则。

图1-4所示为国际电信联盟制定的频带分配情况。

由图1-4可以看出，不同的频带被分配用于不同的用途。

我国先后开放了2.4 GHz、5.8 GHz作为工业/科学/医学（Industrial, Scientific and Medical，ISM）频段，提高了微波频段无线扩频技术的商业价值。但是，ISM频段的资源非常有限。

例1-5 2.4 GHz频段的带宽。

解 2.4 GHz频段的带宽为80 MHz，由于多数无线局域网产品都工作在这个频段上，因此，只能采用扩频调制技术的工作方式。

3. 频谱利用率与频谱空洞

对于频谱这个通信能够使用的唯一资源，可用频段将它分为两类：

（1）授权频段；

（2）非授权频段。

授权频段是由政府授权使用的。专门的频谱管理机构分配特定的授权频段，供给特定的通信业务使用。因此，授权频段具有独享性。

非授权频段是开放的，使用者无须申请就可以使用。因此，非授权频段通常是饱和的。

频谱资源的紧张已经成为制约无线通信业务发展的瓶颈。甚至有人断言：未来战争的胜利者，必然是最善于控制、驾驭、运用电磁频谱的一方。

因此，频谱复用技术已经成为现代无线通信的重要研究内容之一。频谱复用技术的两个研究方向：

（1）降低信号的功率谱密度，以进行频谱的复用；

（2）采用灵活的频谱管理技术。

许多学者经过检测、分析当前无线频谱的使用状况，发现：虽然大多数频谱已经分配给不同的用户，但是，在相同时间、相同地点频谱的使用却非常有限。

常常是：大部分频率点未被使用，而热点频率则处于超负荷运行状态。

2002年11月，美国联邦通信管理委员会（Federal Communications Commission，FCC）频谱政策任务组撰写的一份报告指出：当前分配的绝大多数频谱的利用率在15%～85%之间。

2005年，美国对芝加哥地区长期频谱占用情况进行了测量与分析，结果表明：在3 GHz以下的频谱的平均利用率为5.2%，如图1-5所示。

因此FCC认为，当前的最大问题不是没有频谱资源可用，而是现有的频谱分配方式导致频谱资源没有得到充分利用。必须彻底改变当前的固定频谱分配政策，采用动态频谱分配政策，利用多种技术实现“频谱共享”。

这种频谱利用的不足，可以用“频谱空洞”的概念来描述。所谓频谱空洞，是指分配给授权用户的频段，在特定时间和特定地理位置条件下，没有被授权用户使用。

由于采用静态频谱授权方式，导致了频谱空洞的存在。由于频谱空洞的存在，降低了频谱利用率。由于频谱利用率的低下，使得频谱资源异常紧张。

为了解决有限的频谱资源和不断增长的无线通信用户的需求之间的矛盾，需要采用新的技术，以减少频谱空洞，提高频谱利用率。

4. 认知无线电的引出

将被授权用户称为主用户，或既有用户；与之对应，未被授权的用户称为次用户，或认知用户。

为了提高频谱资源的利用率，减少频谱空洞的出现，可以在主用户没有使用授权频谱的情况下，允许次用户接入频谱空洞。这样，就可以提高频谱资源的利用率。这就是认知无线电的基本思想。

认知无线电（Cognitive Radio，CR）就是利用频谱空洞，提高频谱利用率的软件无线电。

1999年，认知无线电的概念最早由瑞典的Joseph Mitola博士提出，它是对软件无线电功能的进一步扩展。