1.1 认知无线电基本概念

1.1.1 认知无线电的定义

认知无线电的概念最初是由MITRE公司的顾问、瑞典皇家技术学院的博士Joseph Mitola提出的，被认为是软件无线电（SDR）技术的一种智能化扩展。但是随着认知无线电技术的发展，其研究和应用都已不再局限于最初的范畴，不同的研究者从不同的角度对认知无线电进行了新的定义和内涵阐述。其中，比较有代表性的有以下几种：

1.Joseph Mitola博士的定义

1999年，Joseph Mitola博士和Gerald Q.Maquire教授在IEEE Personal Communications杂志上发表的一篇学术论文中首次提出了认知无线电的概念[10]，并提出了一种描述无线电网络内部结构模块、设备和无线电环境的“无线电知识表示语言（RKRL）”。随后，在文献[11]中，Mitola博士又提出了频谱池（Spectrum Pooling）的概念。Mitola博士认为，认知无线电应以软件无线电为基础，但与软件无线电又有着根本的区别，主要表现为：认知无线电能够通过无线电模块的推理能力，去认知射频环境、空中接口、通信协议以及频谱的使用模型，并通过RKRL语言与网络进行智能交流，从而大大提高了通信的灵活性，实现更为个人化的通信方式。更重要的是，认知无线电的实体能够实现协议栈的自动管理，以适应无线电环境，从而更好地满足使用者的需求。

在Mitola博士的设想中，认知无线电将改变传统无线通信的工作方式，使原有被动执行预先定义通信协议的无线节点，变为能够认知所处的无线频谱环境、并根据环境变化自主地调整其系统参数的智能实体。图1-1中的认知循环模型描述了Mitola认知无线电的智能决策过程，其中的每一步操作都通过对其所监测的历史和环境的实际状态的研究而得出。

随后，Mitola博士在2000年瑞典皇家科学院举行的博士论文答辩中详细阐述了这一理论，并给出了广义的认知无线电定义[12]：

“认知无线电这个术语是指这样一个概念，即在无线通信和相关的计算机与计算机之间通信方面，无线个人数字助理（PDA）及相关的网络具有足够的计算智能，以实现下面两点功能：

（1）检测用户的通信需求；

（2）提供最符合用户通信需求的无线资源与服务。”

此外，Mitola博士在其论文中也研究了在高层（应用层或更高层）通过软件实现认知无线电的学习和推理能力的方案，但是缺乏对特殊无线架构下具备认知功能的物理层和链路层的研究。因此，他提出的是一个理想化的认知无线电定义和认知系统模型。在这个认知模型中，人工智能扮演着重要的角色。Mitola博士同时指出，机器学习（Machine Learning）的概念是认知无线电的重要特点之一，这使得认知无线电的方法包含了更高意义上的意识与自治能力。

2.FCC的定义

随着无线通信系统对频谱资源需求的不断增加，美国联邦通信委员会（FCC）开始重新考虑频谱管理政策。认知无线电技术自提出以来便一直受到FCC的关注。2003年5月，FCC召开了认知无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。FCC从频谱管理的角度出发，把任何具有自适应频谱感知能力的无线电称之为认知无线电。因此，FCC对认知无线电的定义又被认为是狭义的认知无线电定义[7]：

“认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射机参数的无线电设备。认知无线电的主体可能是软件无线电，但既没有软件也没有现场可编程要求。”

在上述定义中，无线电设备与工作环境的“交互”包括主动协商和与其他频谱使用者通信，或者被动感知环境并决定频谱的使用。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现开放频谱系统：即合法的授权用户，也称主用户（PU），具有优先接入频谱的权利，而配有认知无线电功能的非授权用户，也称次用户（SU），可在对授权用户不造成干扰的情况下按“机会方式（Opportunistic Way）”接入频谱。

从FCC对认知无线电的定义可以看出，FCC主要是基于频谱管理上的考虑，集中于发射机的行为进行定义的。根据FCC的定义，认知无线电是一种其发射端能依据与其所处的工作环境的相互作用来调节发射参数的无线电设备，因此认知无线电也被称为“频谱捷变无线电[5]”或“机会频谱接入无线电[13]”。与Mitola的理想化定义相比较，FCC对于认知无线电的定义更能为业界所接受，也更容易实现。同时，根据FCC的定义可知，目前认知无线电的关键技术应包括空闲频谱检测、频谱分配、碰撞检测和避免、功率控制等技术。

此外，FCC在其报告中进一步描述了认知无线电五个可能的应用领域，它们分别是：

（1）可在低人口密度和低频谱使用率（如郊区）的区域增加发射功率8 dB；

（2）授权用户以可中断的方式向认知无线电用户出租频谱；

（3）利用可用频谱的空间和时间特性动态协调频谱共享；

（4）促进不同系统间的互操作；

（5）利用发射功率控制和环境判决实现多跳射频网络（Multi-hop RF Network）。

3.Simon Haykin教授的定义

国际电子电气工程界的著名学者、加拿大皇家学会院士Simon Haykin教授在总结现有研究的基础上，于2005年在IEEE JSAC杂志上发表的一篇学术论文中详细阐述了与认知无线电相关的信号处理与自适应过程，并从信号处理的角度对认知无线电进行了定义[14]：

“认知无线电是一种智能的无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数（如发射功率、载波频率、调制技术等），使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下两个目的：

（1）任何时间任何地点的可靠通信；

（2）频谱资源的高度有效利用。”

根据Haykin教授的定义，认知无线电的认知行为主要包含以下三大要素：外部无线环境感知，主要包括无线环境中干扰温度（Interference Temperature）[15]的估计和频谱空洞（Spectrum Hole）[16]的检测；信道估计与预测建模，主要包括信道状态信息的估计和信道容量的预测；发射功率控制与动态频谱管理。

通过认知行为的三大要素与射频环境的交互，Haykin教授提出了如图1-2所示的认知循环模型。通过该认知循环模型可以发现，认知无线电系统首先通过分析外部环境提供的激励来认识自身通信的内容，然后对接收和发送的内容以及接收端和发送端的信道状态进行分析，之后再选择合适的解决方式。其结果就是为了实现频谱的高利用率和通信的高可靠性。

如上所述，Haykin教授主要从信号处理的角度，将认知无线电定义为一个智能的无线通信系统，并且从如何实现认知的目标出发，具体描述了系统的工作过程和功能组成，针对其中的关键问题提出了可能的解决方法，同时指明了研究的方向。

4.其他定义

除上述三种较为公认的定义，其他专家学者和研究机构也对认知无线电提出了自己的定义。

美国Virginia大学无线技术研究中心的Rieser教授认为[17]：“认知无线电不一定需要软件无线电的支撑，而是采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电物理层和媒体接入控制（MAC）子层建模，更适用于可快速部署的应急通信系统。”

美国Cadence设计系统公司的John Notor教授则认为，软件无线电和认知无线电之间是相互重叠的关系[18]：“软件无线电不是认知无线电的必然条件，认知无线电也不是软件无线电的发展。”

美国国家电信工业管理局（NTIA）在提交给FCC的报告中认为[19]：“认知无线电是一种能感知其工作的电磁环境，并通过自动、动态地调节无线电工作参数来调整系统性能，如最大化系统吞吐量、减小系统干扰、简化内部互操作，并能进入非授权用户市场的无线电设备或系统。”

国际电信联盟（ITU）在其工作报告中对认知无线电的定义更侧重于其功能[20]：“认知无线电是一种能感受并认知其所处的无线电工作环境，并依据环境特性来动态、自治地调节其工作参数的无线电设备或系统。”

由此可知，针对不同的应用环境或技术领域，认知无线电有着多种狭义和广义的定义。总的来说，认知无线电是一种能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，并根据一定的学习和决策算法，实时、自适应地改变系统的工作参数，从而在任何时间、任何地点提供可靠通信，动态高效地使用频谱资源的无线电。概括来说，认知无线电以灵活、智能和可重配置为显著特点。

1.1.2 认知无线电的特征

综合上一节中各研究组织和学者对认知无线电的定义可知，认知无线电是一种可以感知外界通信环境，并能根据环境变化进行自我调整的智能通信系统。概括来说，认知无线电技术具备两大特征：认知能力和重构能力[14,21]。

1.认知能力（Cognitive Capability）

认知能力使认知无线电能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源（也称为频谱空洞），并以此为基础选择最适当的频谱和工作参数。这种能力不仅包括对无线环境的感知（如检测某一频段上的信号功率），还包括对无线环境空时变化的统计规律的分析，从而避免给其他用户带来干扰。认知过程通常采用图1-2所示的认知周期来表示，主要包含频谱检测、频谱分析和频谱判决。其功能介绍如下：

● 频谱检测（Spectrum Sensing）：监视频谱使用状态，探测频谱空洞。

● 频谱分析（Spectrum Analysis）：对频谱空洞的特征进行分析和估计。

● 频谱判决（Spectrum Decision）：根据频谱特性和用户需求选择合适频段。

2.重构能力（Reconfigurability）

重构能力使得认知无线电设备可以根据无线环境进行动态设置，从而允许认知无线电设备采用不同的无线传输技术进行数据收发。这种能力要求在不改动任何硬件的前提下，对无线传输参数进行动态调整。可调整的参数包括工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。重构的核心思想是在不对频谱授权用户产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被频谱授权用户所使用，认知无线电有两种应对方式：一是切换到其他空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射功率或调制方案以避免对频谱授权用户产生有害干扰。

根据认知无线电的上述两大特征，我们可以把认知无线电期望具备或应当具备的能力概括如下：

（1）环境感知能力、对环境变化的学习能力和自适应能力；

（2）系统功能模块可重构性和传输参数的动态调整能力；

（3）通信高可靠性和频谱资源的高利用性。

认知无线电的上述特征和能力，使其具备灵活、智能、可重配置等优势，可以通过感知无线信道环境，改变工作参数，实时地适应环境，从而在任何时刻、任何地点提供可靠的通信，动态高效使用无线频谱资源。