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一、 概要

隨著無線通信技術的發展，人們對通信速率（尤其是數據傳輸速率）的需求也越來越高。根據香農理論，通信速率越高,要求通信系統所占用的頻譜帶寬也越來越大，從而導致適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張；另一方面，已經分配或指配給現有很多無線業務的頻譜卻在時間和空間上存在不同程度的閑置。那么，如何有效地盤活那些閑置的頻譜資源，解決這一制約無線通信發展的新瓶頸？美國科學家Joseph Mitola博士提出了認知無線電（CR）的概念。

認知無線電(Cognitive Radio)是在軟件無線電的基礎上，依靠人工智能的支持，將無線電系統從預置程序的盲目執行者轉變成為無線電領域的智能Agent。認知無線電能感知無線通信環境，并實時調整系統工作參數以適應環境變化與用戶需求。

美國FCC從提高頻譜利用率與通信可靠性的目的出發，提出了相對簡化的定義：認知無線電要“感知”周邊環境的頻譜使用狀況以檢測出“頻譜空洞”。 “頻譜空洞”即特定時間和特定位置未被使用的授權頻段。“感知”就是能在一定范圍的空域、時域、頻域對相應授權用戶頻譜使用規律進行分析，并及時改變傳輸參數(如調制方式、功率、使用頻段等)來充分利用“頻譜空洞”。

認知無線電采用交叉共享的頻譜訪問方式，即采用正常發射功率，在同一區域內使用未利用頻段來避開其他用戶的干擾，同時不對其他用戶造成干擾。因此，認知無線電又稱為頻譜捷變無線電(Frequency Agile System)。為了形象起見，以路面車輛交通控制作類比來說明這個問題,見下圖1。

圖1：現有頻譜政策與使用認知無線電的頻譜使用構想的比較

二、認知無線電的頻譜管理

具有認知無線電功能的通信終端在非授權狀況下使用無線頻譜，是對現有固定頻譜劃分模式的一次挑戰和技術革命。如何對這種嶄新的用頻方式進行有效管控，非常值得當今無線電管理者進行深入分析和研究。從提高頻譜利用效率的角度出發，是不應該壓制基于認知功能的非授權頻譜業務的。合理的解決方法是改變無線電管理思路和頻譜管理規則，積極疏導、協調和利益均衡，使其適應業務需求和技術發展。當然，這些行政措施需要先進的技術手段來支撐。

三、頻譜監測與占用度分析

通過日常頻譜監測積累了豐富的數據。同時，各級無線電管理部門對所轄區域的頻譜使用狀況、業務類型、使用單位、工作參數等已基本了解。 通過電磁兼容分析和頻譜占用度的分析和比較，推測并評估潛在的頻譜可用性和可靠性，以便決定哪些頻段適合于認知無線電使用。下面的頻譜監測數據是在某棟建筑室內和室外分別測量的，并進行了統計分析和處理。

圖2：監測位置和測試設備

圖3：頻譜測量結果統計（左：9F 室外，右：3F 室內）

從上圖3 可看出，監測點位置不同，實際頻譜測量結果有很大差異。室內監測由于受建筑物的墻體阻擋，而產生較大的衰耗(穿透損耗大約在5~25dB) 。頻段占用度統計（見圖4）結果表明：GSM蜂窩移動業務下行頻段，占用度特別高(達70%以上)；而其他業務頻段，占用度在10%以下； 固定業務頻段占用度介于4% 到7% ；對于806 MHz 到2750 MHz整個頻段，占用度僅為6.2%。原因分析：

(1) GSM 蜂窩移動業務的下行信號中，由于廣播控制信道不參與跳頻，且一直處于常發狀態， 因此，該頻率的占用度高，多個基站采用多個廣播控制信道,因此頻段占用度也高；而對應的上行信道，由于頻段占用度與同時激活/發射的手機數量有關，同時受手機發射功率偏小及跳頻的 影響，統計出的占用度較低。

(2) 對于固定業務，一般采用方向性極強的天線，若監測地點選擇的不合適（如監測地點位于 發射天線方向性圖的旁瓣或后瓣方向），信號衰減嚴重，可能淹沒在噪聲之中，很難被發現。 因此，統計出的占用度也較低。

(3) 室內監測，由于受墻體衰耗，接收的的電平偏小，各個不同業務頻段的占用度也較低。

總的來說，頻段占用度低意味著該頻段可考慮作為某認知無線電的候選頻段，以達到使用效 益的最大化。有些認知無線電，如果僅局限在室內使用，潛在候選頻段將更加廣泛。

圖4：頻段占用度統計

基于頻譜監測結果, 按頻段占用度大小將業務頻段總結為三種不同的類型:
黑空-----如移動通信的下行頻段，占用度大于70%；該頻段存在高功率的干擾，不適用于疊加認知無線電業務，可由授權用戶專用，非授權用戶不得占用。
灰空-----如移動通信的上行頻段及點對點的固定業務；占用度介于1%到7%之間；該頻段存在低功率的干擾，可適當疊加認知無線電業務，但要非常謹慎。
白空-----占用度非常低；僅存在環境噪聲，包括熱噪聲、瞬時反射、脈沖噪聲等。該頻段幾乎沒有干擾，可以不受限制占用。
這里，頻段占用度分析的目的就是查找適合于認知無線電業務的白空。同時，還需要對工作頻段隨時間在黑空、灰空和白空之間進行動態轉變的特征進行連續的研究，尋找潛在的規律。

四、結語

認知無線電，為解決無線通信需求與有限的頻譜資源之間的矛盾開辟了一條行之有效的途徑，是未來無線通信產業發展的方向；然而，認知無線電技術從概念到應用尚面臨很多挑戰，尤其是許多關鍵技術需要突破，這也使得其成為近年來無線通信研究的熱點。