認知無線電（Cognitive Radio，CR） 的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士的奠基性工作。它可以通過學習、理解等方式，自適應的調整內部的通信機理、實時改變特定的無線操作參數（如功率、載波調制和編碼等）等，來適應外部無線環境，自主尋找和使用空閑頻譜。它能幫助用戶選擇最好的、最適合的服務進行無線傳輸，甚至能夠根據現有的或者即將獲得的無線資源延遲或主動發起傳送。

　　一、認知無線電的定義

　　1、JosephMitola對認知無線電的定義

　　1999年，JosephMitola在他的學術論文 中首先提出了認知無線電的概念，并描述了認知無線電如何通過“無線電知識描述語言（RKRL，RadioKnowledgeRepresentationLanguage）”來提高個人無線業務的靈活性。隨后，JosephMitola在他的博士論文中詳細探討了這一理論 。他認為：認知無線電應該充分利用無線個人數字設備和相關的網絡在無線電資源和通信方面的智能計算能力來檢測用戶通信需求，并根據這些需求提供最合適的無線電資源和無線業務。Mitola的認知無線電的定義是對軟件無線電的擴展。認知無線電以軟件無線電為平臺，并使軟件無線電智能化。

　　2、FCC的認知無線電定義

　　JosephMitola定義的認知無線電強調“學習”的能力，認知無線電系統需要考慮通信環境中的每一個可能參數，然后做出決定。相比于JosephMitola的定義，FCC針對頻譜有效分配問題對認知無線電做出的定義更能為業界所接受。在2003年12月的一則通告 中，FCC對認知無線電作出如下定義：認知無線電是能夠與所處的通信環境進行交互并根據交互結果改變自身傳輸參數的無線電。

　　FCC對認知無線電的這個定義主要是基于頻譜資源分配和管理問題提出的。目前無線頻譜資源的規劃和使用都是由政府制定的，無線通信設備對頻譜的使用需要經過政府的許可。而固定的頻譜分配政策導致了頻譜不能有效利用的問題。比如分配給蜂窩移動通信系統的頻帶經常超負荷，而共用頻帶沒有充分使用等。而且頻段的利用率在不同的時間和空間也有所不同。

　　3、其他的認知無線電定義

　　除了JosephMitola和FCC外，還有很多學者對認知無線電進行了定義。

　　比如，SimonHaykin結合JosephMitola和FCC的觀點，對認知無線電做出如下定義 ：認知無線電是一個智能無線通信系統，它能感知外界環境，并使用人工智能技術從環境中學習，通過實時改變傳輸功率、載波頻率和調制方式等系統參數，使系統適應外界環境的變化，從而達到很高的頻譜利用率和最佳通信性能。

　　二、認知無線電特點

　　對環境的感知能力：此特點是CR技術成立的前提，只有在環境感知和檢測的基礎上，才能使用頻譜資源。頻譜感知的主要功能是監測一定范圍的頻段，檢測頻譜空洞。

　　對環境變化的學習能力、自適應性：此特點體現CR技術的智能性，在遇到主用戶信號時，能盡快主動退避，在頻譜空洞間自如的切換。

　　通信質量的高可靠性：要求系統能夠實現任何時間任何地點的高度可靠通信，能夠準確地判定主用戶信號出現的時間、地點、頻段［2］等信息，及時調整自身參數，提高通信質量。

　　系統功能模塊的可重構性：CR設備可根據頻譜環境動態編程，也可通過硬件設計，支持不同的收發技術。可以重構的參數包括：工作頻率、調制方式、發射功率和通信協議等。

　　三、認知無線電原理

　　認知無線電原理如圖1所示，由圖可看出，CR設備對周圍環境感知、探測、分析，這種探測和感知是全方位的，應對地形、氣象等綜合信息也有所了解。由此圖也可得出，CR是高智能設備，應包含一個智能收發器。有了足夠的人工智能，它就能吸取過去的經驗對實際情況進行響應，過去的經驗包括對死區、干擾和使用模式等的了解。它的學習能力是使它從概念走向應用的真正原因。

　　圖1：認知無線電原理圖

　　當CR用戶發現頻譜空洞，使用已授權用戶的頻譜資源時［3］，必須保證它的通信不會影響到已授權用戶的通信，一旦該頻段被主用戶使用，CR有兩種應對方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續使用該頻段，改變發射頻率或調制方案，避免對主用戶的干擾。

　　四、認知無線電物理層關鍵技術

　　通用的CR收發機結構如圖2所示，結合前文關于CR基本原理的討論，可以發現，CR物理層的關鍵技術包括：寬帶射頻前端技術、頻譜感知技術和數據傳輸技術。

　　4.1 寬帶射頻前端技術

　　為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調諧到大頻譜范圍內的任意頻帶。通用的寬帶射頻前端結構如圖3所示，接收的信號通過放大、混頻和A/D轉換等步驟后送入基帶處理，進行頻譜感知或數據檢測。其中，射頻濾波器通過通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號；低噪放大器（LNA）在放大所需信號的同時最小化噪聲；鎖相環（PLL）、壓控振蕩器（VCO）和混頻器聯合控制，將所需要的接收信號轉換到基帶或者中頻處理；信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾；自動增益控制（AGC）維持很寬的動態范圍內的輸入信號經放大器的輸出功率恒定。

　　針對CR應用，寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動態范圍內檢測弱信號。為此，需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A/D轉換器，并且要求超過12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過陷波濾波器濾出強信號，降低信號的動態范圍；或采用智能天線技術，通過空域濾波來實現強信號濾出。

　　4.2 頻譜感知技術

　　頻譜感知技術是CR應用的基礎和前提。現有的頻譜感知技術可以按照圖4進行分類。單節點感知是指單個CR節點根據本地的無線射頻環境進行頻譜特性標識；而協同感知則是通過數據融合，基于多個節點的感知結果將進行綜合判決。

　　單節點感知技術包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種，其比較如表1所示。由于這些方法各有優缺點，實際應用時通常結合使用。

　　檢測算法適用范圍優點缺點匹配濾波CR節點知道授權用戶信號的信息檢測時間短需要先驗信息能量檢測CR節點不知道授權用戶的信號信息實現簡單，不需要先驗信息受噪聲不確定性影響，不能區別信號類型，檢測時間長周期特性檢測CR用戶信號具有周期自相關特性可以區別噪聲和信號類型計算復雜度高認知無線電要求頻譜感知能夠準確地檢測出信噪比（SNR）大于某一門限值的授權用戶信號，通常這個SNR的門限值是很低的，對于單節點感知來說，要達到這個要求并不容易。

　　為此，人們提出協同頻譜感知，通過檢測節點間的協作達到系統要求的檢測門限，從而降低對單個檢測節點的要求，降低單個節點的負擔。協同頻譜感知的另一個優點是可以有效的消除陰影效應的影響。協同感知可以采用集中或者分布式的方式進行。集中式協同感知是指各個感知節點將本地感知結果送到基站（BS）或接入點（AP）統一進行數據融合，做出決策；分布式協同感知則是指個節點間相互交換感知信息，各個節點獨自決策。影響協同頻譜感知的關鍵因素除了參與協同的單節點的感知性能外，還包括網絡拓撲結構和數據融合方法；另外，在協同頻譜感知中，不同感知節點的相關性和單個節點的不可靠性也會對頻譜感知的性能產生重要影響。

　　隨著FCC引入干擾溫度模型來測量干擾，也有人提出通過測量干擾溫度進行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節點知道授權用戶的位置，目前尚面臨很多問題。

　　4.3 數據傳輸技術

　　數據傳輸技術對于CR實現利用空閑頻譜進行通信，從而整體上提高頻譜利用率的主要目標非常關鍵。由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍，并且不連續，因此CR數據傳輸技術必需能夠適應可用頻譜的這一特性。

　　目前，實現頻譜自適應CR數據傳輸有2個基本途徑：采用多載波技術或采用基帶信號發射波形設計。

　　在多載波傳輸技術中，正交頻分復用（OFDM）是最佳候選技術。如圖5所示，其基本思想是將可用整個頻帶劃分成OFDM子載波，只利用沒有被授權用戶占用的子載波傳輸數據，構成所謂的非連續OFDM（NC-OFDM）。子載波的分配則通過頻譜感知和判決的結果，以分配矢量的方式實現。例如，在進行OFDM調制時，可以將已被授權用戶占用的子載波置零，從而避免對授權用戶產生干擾。同時，考慮到頻譜滲漏的問題，還有必要留出足夠的保護子載波。同時，由于很多子載波并沒有使用，可以通過一些快速傅立葉變換（FFT）修剪算法降低系統實現的復雜度。

　　OFDM技術的重要優點是實現靈活，但也面臨同步、信道估計以及高峰平比的問題。為此，也可以通過在時、頻或者碼域設計特殊的發射波形，生成滿足特定頻譜形狀的發射信號。例如，在頻域合成波形的變換域通信系統（TDCS）、設計特殊擴頻碼片的擾測量法/碼分多址（CI/CDMA）技術、以及跳碼/碼分多址（CH/CDMA）技術等。雖然這些技術不如OFDM實現靈活，但在初始接入、收發雙方不知道對方可用頻譜特性時仍然有用。

　　五、認知無線電發展現狀與趨勢

　　當前，認知無線電技術已經得到了學術界和產業界的廣泛關注。很多著名學者和研究機構都投入到認知無線電相關技術的研究中，啟動了很多針對認知無線電的重要研究項目。例如：德國Karlsruhe大學的F. K. Jondral教授等提出的頻譜池系統、美國加州大學Berkeley分校的R. W. Brodersen教授的研究組開發的COVUS系統、美國Georgia理工學院寬帶和無線網絡實驗室Ian F. Akyildiz教授等人提出OCRA項目、美國軍方DARPA的XG項目、歐盟的E2R項目等。在這些項目的推動下，在基本理論、頻譜感知、數據傳輸、網絡架構和協議、與現有無線通信系統的融合以及原型開發等領域取得了一些成果。IEEE為此專門組織了兩個重要的國際年會IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流這方面的成果，許多重要的國際學術期刊也通過將刊發關于認知無線電的專輯。目前，最引人關注的是IEEE 802.22工作組的工作，該工作組正在制定利用空閑電視頻段進行寬帶無線接入的技術標準，這是第一個引入認知無線電概念的IEEE技術標準化活動。

　　結合上述認知無線電技術的現狀，預計認知無線電未來會沿著以下幾個方面發展：

　　基本理論和相關應用的研究，為大規模應用奠定堅實的基礎。比較重要的包括：認知無線電的信息論基礎和認知無線電網絡相關技術，例如：頻譜資源的管理、跨層聯合優化等等。

　　試驗驗證系統開發。目前，已經有多個試驗驗證系統正在開發中，這些系統的開發成功，將為驗證認知無線電的基本理論、關鍵技術提供測試床，推動其大規模應用。

　　與現有系統的融合。雖然目前認為認知無線電的應用應該不要求授權用戶作任何改變，但如果授權用戶和認知無線電用戶協同工作，將會便于實現并提高效率。目前，已經有一些研究工作在考慮將認知無線電集成到現有無線通信系統的方法，并取得了一些初步成果。預計未來這方面將會有大量的需求。