認(rèn)知無(wú)線電

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們可以獲得的帶寬不斷的增加。以移動(dòng)通信為例，傳輸速率從最早的不足10kbit/s提高到第三代移動(dòng)通信技術(shù)可以提供2Mbit/s的數(shù)據(jù)速率只用了不到10年的時(shí)間；但即使如此，仍然無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)于帶寬的日益增長(zhǎng)的需求。一方面，人們不斷開(kāi)發(fā)新的無(wú)線通信技術(shù)，利用新的頻段來(lái)提供各種業(yè)務(wù)；另外一方面，各種改進(jìn)的調(diào)制和編碼技術(shù)也使得現(xiàn)有頻譜的利用效率得以提高。然而，頻譜資源終究是有限的。將來(lái)會(huì)得到規(guī)模應(yīng)用的MIMO和OFDM技術(shù)，在可以預(yù)見(jiàn)的情況下，能夠?qū)㈩l譜的利用效率提高3～4倍，而對(duì)于人們對(duì)帶寬的幾十倍、上百倍的需求增長(zhǎng)，這種提高顯然不能完全的滿(mǎn)足要求。頻譜資源作為一種極具價(jià)值的自然資源，其日趨緊張甚至枯竭已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，而真正要解決這種矛盾，必須對(duì)頻譜管理方法進(jìn)行改進(jìn)。

在單純通過(guò)現(xiàn)有的傳輸技術(shù)無(wú)法有效解決頻譜利用效率偏低的情況下，各種新的思路應(yīng)運(yùn)而生，其核心都是如何有效地實(shí)現(xiàn)頻譜的重用。該領(lǐng)域存在著以下兩個(gè)基本的研究方向。

一個(gè)研究方向是降低信號(hào)的功率譜密度來(lái)進(jìn)行頻譜的復(fù)用，其典型應(yīng)用就是超寬帶（UWB，UltraWideband）技術(shù)。FCC定義信號(hào)帶寬大于1.5GHz或者信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%的稱(chēng)為超寬帶。UWB技術(shù)通過(guò)采用頻譜重疊的方式占用一段極寬的帶寬，并嚴(yán)格限制其信號(hào)的發(fā)射功率，盡可能地減少給現(xiàn)存系統(tǒng)帶來(lái)的有害干擾，從而實(shí)現(xiàn)與窄帶信號(hào)的共存和兼容，最終達(dá)到頻譜復(fù)用的目的。

另一個(gè)研究方向就是采用一種新的頻譜管理技術(shù)，以達(dá)到充分利用頻譜的目的。這種思路的基本出發(fā)點(diǎn)就是：在不影響授權(quán)頻段的正常通信的基礎(chǔ)上，具有一定感知能力的無(wú)線通信設(shè)備可以按照某種機(jī)會(huì)方式來(lái)接入授權(quán)的頻段內(nèi)，并動(dòng)態(tài)地利用其頻譜。由于頻譜資源利用率偏低，在空域、時(shí)域和頻域都會(huì)出現(xiàn)對(duì)于當(dāng)前通信冗余的、可以被利用的頻率資源，這些頻率資源被稱(chēng)為頻譜空穴（SpectrumHoles），如圖1所示。認(rèn)知無(wú)線電的基本思路就是基于如何有效地利用這些“頻譜空穴”。如果一種通信系統(tǒng)中能完成如下的功能：具備認(rèn)知功能，以“機(jī)會(huì)方式”接入頻譜的次級(jí)用戶(hù)（SecondaryUser）能夠通過(guò)對(duì)頻譜的感知和分析，智能地使用空閑頻譜并避免對(duì)擁有授權(quán)頻段的主用戶(hù)（PrimaryUser）形成干擾；而主用戶(hù)以最高的優(yōu)先級(jí)使用被授權(quán)的頻段。當(dāng)主用戶(hù)要使用授權(quán)頻段時(shí)，次級(jí)用戶(hù)需要及時(shí)停止使用頻譜，將信道讓給主用戶(hù)，那么當(dāng)前頻譜效率低下的現(xiàn)狀將得以大大的改善。認(rèn)知無(wú)線電就是基于這種思路誕生的。

圖1“頻譜空穴”示意圖

OSSIE (Open Source SCA Implementation Embedded), 是Wireless@Virginia Tech 貢獻(xiàn)給開(kāi)源社區(qū)的對(duì)軟件定義無(wú)線電（SDR）尤其是對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的探索。它的主要目的是用于對(duì)軟件定義無(wú)線電和無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和教學(xué)。該軟件包包含基于JTRS 的軟件通信結(jié)構(gòu)（SCA）的SDR 的核心構(gòu)架、快速開(kāi)發(fā) SDR 部件和信號(hào)波形處理程序的工具、預(yù)制部件的庫(kù)及信號(hào)處理程序。而且還包括同Naval Postgraduate School 共同開(kāi)發(fā)的用于實(shí)驗(yàn)室練習(xí)用的一組免費(fèi)的練習(xí)，用于SDR 的教學(xué)和培訓(xùn)用。OSSIE 同GNU Radio 一樣都可使用通用軟件無(wú)線電平臺(tái)（Universal Software Radio Peripheral - USRP）。

認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio,CR)的學(xué)習(xí)能力是使它從概念走向?qū)嶋H應(yīng)用的真正原因。有了足夠的人工智能，它就可能通過(guò)吸取過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)實(shí)際的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)包括對(duì)死區(qū)、干擾和使用模式等的了解。這樣，CR有可能賦予無(wú)線電設(shè)備根據(jù)頻帶可用性、位置和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)自主確定采用哪個(gè)頻帶的功能。隨著許多CR相關(guān)研究的展開(kāi)，對(duì)CR技術(shù)存在多種不同的認(rèn)識(shí)。最典型的一類(lèi)是圍繞Mitola博士提出的基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式推理的認(rèn)知循環(huán)模型來(lái)展開(kāi)研究，他們強(qiáng)調(diào)軟件定義無(wú)線電(Software Defined Radio，SDR)是CR實(shí)現(xiàn)的理想平臺(tái)。

針對(duì)CR研究中存在的多種描述，美國(guó)FCC提出了CR的一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)化的版本。他們?cè)贔CC-03322中建議任何具有自適應(yīng)頻譜意識(shí)的無(wú)線電都應(yīng)該被稱(chēng)為認(rèn)知無(wú)線電CR。FCC更確切地把CR定義為基于與操作環(huán)境的交互能動(dòng)態(tài)改變其發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線電，其具有環(huán)境感知和傳輸參數(shù)自我修改的功能。CR是一種新型無(wú)線電，它能夠在寬頻帶上可靠地感知頻譜環(huán)境，探測(cè)合法的授權(quán)用戶(hù)(主用戶(hù))的出現(xiàn)，能自適應(yīng)地占用即時(shí)可用的本地頻譜，同時(shí)在整個(gè)通信過(guò)程中不給主用戶(hù)帶來(lái)有害干擾。無(wú)線電環(huán)境中的無(wú)線信道和干擾是隨時(shí)間變化的，這就暗示CR將具有較高的靈活性。CR的應(yīng)用大多是基于FCC的觀點(diǎn)，因此也稱(chēng)CR為頻譜捷變無(wú)線電、機(jī)會(huì)頻譜接入無(wú)線電等。

當(dāng)前，在頻譜政策管理部門(mén)的帶動(dòng)下，一些標(biāo)準(zhǔn)化組織采用了CR技術(shù)，并先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以推動(dòng)該技術(shù)在多種應(yīng)用場(chǎng)景下的發(fā)展。例如，IEEE802.22工作組對(duì)基于CR的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WLAN的空中接口標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，目標(biāo)是將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶的空閑頻道有效的利用起來(lái)；IEEE802.16工作組正在著手制定h版本標(biāo)準(zhǔn)，致力于改進(jìn)如策略、MAC增強(qiáng)等機(jī)制以確?；赪iMAX的免授權(quán)系統(tǒng)之間、與授權(quán)系統(tǒng)之間的共存。此外，ITU也在努力尋找類(lèi)似CR的頻譜共享技術(shù)。受CR的潛力及其在無(wú)線電領(lǐng)域公認(rèn)的“下下一件大事情”的激勵(lì)，國(guó)內(nèi)不少院校和學(xué)者也已經(jīng)開(kāi)始了這方面的研究，如西安電子科技大學(xué)已經(jīng)開(kāi)展的2005年度“863”有關(guān)CR技術(shù)的研究。

認(rèn)知無(wú)線電又被稱(chēng)為智能無(wú)線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特征，通過(guò)感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)變化，從而實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信以及對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有限的無(wú)線頻譜資源進(jìn)行高效地利用。認(rèn)知無(wú)線電的核心思想就是通過(guò)頻譜感知（Spectrum Sensing）和系統(tǒng)的智能學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和頻譜共享（Spectrum Sharing）。

認(rèn)知無(wú)線電中，次級(jí)用戶(hù)動(dòng)態(tài)的搜索頻譜空穴進(jìn)行通信，這種技術(shù)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)頻譜接入。在主用戶(hù)占用某個(gè)授權(quán)頻段時(shí)，次級(jí)用戶(hù)必須從該頻段退出，去搜索其它空閑頻段完成自己的通信。

認(rèn)知無(wú)線電的物理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)是以軟件無(wú)線電平臺(tái)為基礎(chǔ)的，其物理平臺(tái)結(jié)構(gòu)與軟件無(wú)線電平臺(tái)結(jié)構(gòu)基本相同，兩者之間的比較如圖2所示，它主要在軟件無(wú)線電平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加了感知，學(xué)習(xí)等功能，以實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的認(rèn)知能力。

其中，無(wú)論對(duì)于軟件無(wú)線電平臺(tái)還是認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)，軟件部分的硬件支撐都是通用硬件平臺(tái)。也就是說(shuō)，從圖2可以看出，和軟件無(wú)線電類(lèi)似，認(rèn)知無(wú)線電物理平臺(tái)也主要由射頻前端、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通用硬件平臺(tái)3個(gè)部分組成。

圖2 認(rèn)知無(wú)線電與軟件無(wú)線電物理平臺(tái)結(jié)構(gòu)的比較

其中，為軟件提供硬件支撐的認(rèn)知無(wú)線電通用硬件平臺(tái)的組成和結(jié)構(gòu)與軟件無(wú)線電系統(tǒng)的硬件平臺(tái)基本類(lèi)似，但除了常見(jiàn)通信系統(tǒng)所需的數(shù)字信號(hào)處理外，認(rèn)知無(wú)線電還需要完成頻譜感知、頻譜分析、頻譜判決等認(rèn)知無(wú)線電特有的功能。

而認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)中使用的A/D和D/A模塊的作用和性能指標(biāo)也與軟件無(wú)線電系統(tǒng)基本相同。A/D和D/A模塊一般集成在通用硬件平臺(tái)之中。

另外，認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)射頻前端除了完成軟件無(wú)線電系統(tǒng)所需的不同頻段的寬帶射頻信號(hào)和中頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換外，還需要協(xié)助甚至單獨(dú)完成寬帶頻譜感知等認(rèn)知無(wú)線電特有的功能。但就結(jié)構(gòu)而言，認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)的射頻模塊與軟件無(wú)線電平臺(tái)的射頻前端基本類(lèi)似。關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電的射頻前端技術(shù)將在下面重點(diǎn)介紹。

相對(duì)軟件無(wú)線電系統(tǒng)而言，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)射頻模塊的特點(diǎn)就是，它需要協(xié)助系統(tǒng)甚至單獨(dú)完成寬帶頻譜感知功能。這個(gè)功能要求射頻模塊的射頻硬件具有很寬的工作頻帶范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜信息實(shí)時(shí)的、大范圍的測(cè)量。和軟件無(wú)線電射頻模塊類(lèi)似，認(rèn)知無(wú)線電射頻模塊的基本體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 認(rèn)知無(wú)線電的寬帶射頻前端結(jié)構(gòu)

從圖3中可以看出，和軟件無(wú)線電的射頻模塊類(lèi)似，認(rèn)知無(wú)線電的射頻前端具有混頻、放大和自動(dòng)增益控制等功能，實(shí)現(xiàn)大頻譜范圍內(nèi)的射頻信號(hào)與中頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，從而解決A/D的性能不滿(mǎn)足對(duì)射頻信號(hào)直接采樣的問(wèn)題。其中，可編程帶通濾波器、低噪聲放大器、可編程本地振蕩器以及混頻器和自動(dòng)增益控制等需要具有與軟件無(wú)線電平臺(tái)類(lèi)似的性能參數(shù)。

為了協(xié)助完成認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的認(rèn)知功能，對(duì)周?chē)鸁o(wú)線電環(huán)境中的授權(quán)用戶(hù)進(jìn)行檢測(cè)，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的射頻模塊對(duì)某些部件的要求要高于軟件無(wú)線電系統(tǒng)，它要求射頻前端具有在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)弱信號(hào)的能力，即接收機(jī)需要具有足夠的工作帶寬和靈敏度，使其能準(zhǔn)確地檢測(cè)不同頻帶不同功率電平的主信號(hào)。同時(shí)，考慮到頻譜感知一般由能量檢測(cè)、特征檢測(cè)等方法完成，如果射頻模塊需要單獨(dú)完成頻譜感知，它還需要具有信號(hào)處理功能。

認(rèn)知無(wú)線電1、在WRAN中的應(yīng)用

2003年12月，F(xiàn)CC在其規(guī)則的第15章公布了修正案。法律規(guī)定[7]“只要具備認(rèn)知無(wú)線電功能，即使是其用途未獲許可的無(wú)線終端，也能使用需要無(wú)線許可的現(xiàn)有無(wú)線頻帶”，這為新的無(wú)線資源管理技術(shù)奠定了法律基礎(chǔ)。WRAN的目的就是使用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶（北美為54～862MHz）的頻率用作寬帶訪問(wèn)線路，將空閑頻道有效地利用起來(lái)。IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)工作組于2005年9月完成了對(duì)WRAN的功能需求和信道模型文檔，2006年開(kāi)始對(duì)各個(gè)公司提交的提案進(jìn)行審議和合并，并于2006年3月形成了最終的合并提案作為編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

認(rèn)知無(wú)線電2、在UWB中的應(yīng)用

UWB技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于脈沖雷達(dá)（ImpulseRadar），美國(guó)軍方利用其進(jìn)行安全通信中的精確定位和成像。至20世紀(jì)90年代之前，UWB主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，之后UWB技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于民用領(lǐng)域。UWB由于具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抵抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代無(wú)線通信的革命性技術(shù)，而且是未來(lái)多媒體寬帶無(wú)線通信中最具潛力的技術(shù)。

認(rèn)知無(wú)線電采用頻譜感知技術(shù)，能夠感知周?chē)l譜環(huán)境的特性，通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜感知來(lái)探測(cè)“頻譜空洞”，合理地、機(jī)會(huì)性地利用臨時(shí)可用的頻段，潛在地提高頻譜的利用率。與此同時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)還支持根據(jù)感知結(jié)果動(dòng)態(tài)地、自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的傳輸參數(shù)，以保證高優(yōu)先級(jí)的授權(quán)主用戶(hù)對(duì)頻段的優(yōu)先使用，改善頻譜共享，與其他系統(tǒng)更好地共存。

認(rèn)知無(wú)線電3、在WLAN中的應(yīng)用

以IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú)線技術(shù)已經(jīng)成為WLAN技術(shù)的主流，通過(guò)接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公已經(jīng)成為很多人生活方式的一部分。隨著無(wú)線局域網(wǎng)的普及，頻譜資源越來(lái)越緊張，某些工作頻段的通信業(yè)務(wù)近乎達(dá)到飽和狀態(tài)，無(wú)法滿(mǎn)足新的業(yè)務(wù)請(qǐng)求；同時(shí)，某些其他頻段比較空閑，能夠提供更多的可用信道。在這樣的背景下，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為解決以上問(wèn)題帶來(lái)了新的思路。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能通過(guò)不斷掃描頻譜段，獲得這些可用信道的信道環(huán)境和質(zhì)量的認(rèn)知信息，自適應(yīng)地接入較好的通信信道，這正是解決WLAN頻段擁擠問(wèn)題的方法。因此認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)對(duì)于WLAN而言更具有吸引力。而且無(wú)線局域網(wǎng)具有工作區(qū)域小、工作地點(diǎn)靈活、無(wú)線環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，更有利于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)知無(wú)線電4、在Mesh網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)出現(xiàn)的具有一種無(wú)線多跳（Multi-hop）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以和一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)直接通信；同時(shí)也能模擬路由器的功能，從鄰近節(jié)點(diǎn)接收消息并進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，Mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)鄰近節(jié)點(diǎn)之間的低功率傳輸取代了遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的大功率傳輸，實(shí)現(xiàn)了低成本的隨時(shí)隨地接入。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間是相互協(xié)作的，如果Mesh網(wǎng)絡(luò)中的一條鏈路失效了，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)替代鏈路將信息路由到目的地，優(yōu)化了頻譜的使用。

認(rèn)知無(wú)線電和無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，正是在增大網(wǎng)絡(luò)密度和提高服務(wù)吞吐量的發(fā)展趨勢(shì)下提出來(lái)的，適用于可能有嚴(yán)重的線路爭(zhēng)用情況的人口稠密城市的無(wú)線寬帶接入。認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)中繼方式可以有效地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，當(dāng)一個(gè)無(wú)線Mesh網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)是由認(rèn)知接入點(diǎn)和固定中繼點(diǎn)組成時(shí)，無(wú)線Mesh網(wǎng)的覆蓋范圍能夠大大增加。尤其是在受限于視距傳輸?shù)奈⒉l段，認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)將有利于在微波頻段實(shí)現(xiàn)頻譜的開(kāi)放接入。

認(rèn)知無(wú)線電5、在Ad-hoc中的應(yīng)用

一般的多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)預(yù)先確定通信路由。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)地收集信息并且自動(dòng)選擇波形，并向各方通知尚未使用的頻率信息，適用于具有不可提前預(yù)測(cè)的頻譜使用模式的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于低功耗多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，能夠滿(mǎn)足分布式認(rèn)知用戶(hù)之間的通信需求。

由于認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可根據(jù)周?chē)h(huán)境的變化動(dòng)態(tài)地進(jìn)行頻率的選擇，而頻率的改變通常需要路由協(xié)議等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，因此，基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)需要新的支持分布式頻率共享的MAC協(xié)議和路由協(xié)議。 2100433B

國(guó)內(nèi)外認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究大都集中在物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的功能方面，如頻譜感知、功率控制、頻譜共享、頻譜移動(dòng)性管理、認(rèn)知無(wú)線電的安全技術(shù)以及認(rèn)知無(wú)線電的跨層設(shè)計(jì)等技術(shù)。

針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)展，世界各國(guó)通信專(zhuān)家都密切關(guān)注，國(guó)內(nèi)外的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也相續(xù)開(kāi)展了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究。其中主要的研究機(jī)構(gòu)有美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）、維吉尼亞無(wú)線通信技術(shù)中心、英國(guó)移動(dòng)電信技術(shù)虛擬中心多模終端研究小組、布里斯托爾大學(xué)通信系統(tǒng)研究中心和歐洲通信協(xié)會(huì)等。此外，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的無(wú)線研究中心、荷蘭的代爾夫特大學(xué)、德國(guó)柏林技術(shù)學(xué)院等也有關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電方面的研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)始關(guān)注和跟蹤該技術(shù)，并開(kāi)展了相關(guān)的研究，這些研究機(jī)構(gòu)主要是清華大學(xué)、電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)及香港科技大學(xué)等高校。鑒于認(rèn)知無(wú)線電的研究狀況，國(guó)家“863”計(jì)劃基金也在2005年首次支持了認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1．JosephMitola對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的定義

1999年，JosephMitola在他的學(xué)術(shù)論文中首先提出了認(rèn)知無(wú)線電的概念，并描述了認(rèn)知無(wú)線電如何通過(guò)“無(wú)線電知識(shí)描述語(yǔ)言（RKRL，RadioKnowledgeRepresentationLanguage）”來(lái)提高個(gè)人無(wú)線業(yè)務(wù)的靈活性。隨后，JosephMitola在他的博士論文中詳細(xì)探討了這一理論。他認(rèn)為：認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)該充分利用無(wú)線個(gè)人數(shù)字設(shè)備和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線電資源和通信方面的智能計(jì)算能力來(lái)檢測(cè)用戶(hù)通信需求，并根據(jù)這些需求提供最合適的無(wú)線電資源和無(wú)線業(yè)務(wù)。Mitola的認(rèn)知無(wú)線電的定義是對(duì)軟件無(wú)線電的擴(kuò)展。認(rèn)知無(wú)線電以軟件無(wú)線電為平臺(tái)，并使軟件無(wú)線電智能化。

2．FCC的認(rèn)知無(wú)線電定義

JosephMitola定義的認(rèn)知無(wú)線電強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)”的能力，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)需要考慮通信環(huán)境中的每一個(gè)可能參數(shù)，然后做出決定。相比于JosephMitola的定義，F(xiàn)CC針對(duì)頻譜有效分配問(wèn)題對(duì)認(rèn)知無(wú)線電做出的定義更能為業(yè)界所接受。在2003年12月的一則通告中，F(xiàn)CC對(duì)認(rèn)知無(wú)線電作出如下定義：認(rèn)知無(wú)線電是能夠與所處的通信環(huán)境進(jìn)行交互并根據(jù)交互結(jié)果改變自身傳輸參數(shù)的無(wú)線電。

FCC對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的這個(gè)定義主要是基于頻譜資源分配和管理問(wèn)題提出的。無(wú)線頻譜資源的規(guī)劃和使用都是由政府制定的，無(wú)線通信設(shè)備對(duì)頻譜的使用需要經(jīng)過(guò)政府的許可。而固定的頻譜分配政策導(dǎo)致了頻譜不能有效利用的問(wèn)題。比如分配給蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻帶經(jīng)常超負(fù)荷，而共用頻帶沒(méi)有充分使用等。而且頻段的利用率在不同的時(shí)間和空間也有所不同。

3．其他的認(rèn)知無(wú)線電定義

除了JosephMitola和FCC外，還有很多學(xué)者對(duì)認(rèn)知無(wú)線電進(jìn)行了定義。

比如，SimonHaykin結(jié)合JosephMitola和FCC的觀點(diǎn)，對(duì)認(rèn)知無(wú)線電做出如下定義：認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng)，它能感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)時(shí)改變傳輸功率、載波頻率和調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)外界環(huán)境的變化，從而達(dá)到很高的頻譜利用率和最佳通信性能。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被視為解決當(dāng)前頻譜資源利用率低的有效方案。各標(biāo)準(zhǔn)化組織和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開(kāi)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究，并著手制定認(rèn)知無(wú)線電的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以其推動(dòng)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。涉及認(rèn)知無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)構(gòu)主要有美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、軟件無(wú)線電論壇（SDRForum）和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）等。

IEEE涉及認(rèn)知無(wú)線電的標(biāo)準(zhǔn)最受關(guān)注的有兩個(gè)：IEEE802.22和IEEESCC41（或者稱(chēng)為P1900）。其中，IEEE802.22是采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)為基礎(chǔ)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEESCC41的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要涉及動(dòng)態(tài)頻譜接入的相關(guān)技術(shù)。另外，我們認(rèn)為，共存問(wèn)題、動(dòng)態(tài)頻譜選擇和功率控制、動(dòng)態(tài)頻譜接入等技術(shù)都屬于認(rèn)知無(wú)線電的范疇。因此，除上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之外，IEEE還有其他幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也涉及認(rèn)知無(wú)線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已經(jīng)完成的標(biāo)準(zhǔn)化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）IEEE802.11h-2003。

原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的清晰性、穩(wěn)定性、概括性、包容性、連貫性和可辨別性等特性都始終影響著新的學(xué)習(xí)的獲得與保持。奧蘇貝爾提出了三個(gè)主要的影響有意義學(xué)習(xí)和遷移的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量：可利用性、可辨別性和穩(wěn)定性。

1.認(rèn)知結(jié)構(gòu)的可利用性是指學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中是否有適當(dāng)?shù)钠鸸潭ㄗ饔玫挠^念可以利用，即學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中是否具有用來(lái)與新知識(shí)發(fā)生相互作用的適當(dāng)觀念。在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中是否有適當(dāng)?shù)钠鸸潭ㄗ饔玫挠^念可以利用，這是影響遷移的第一個(gè)重要的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量。在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中處于較高抽象概括水平的起固定作用的觀念，對(duì)于新的學(xué)習(xí)能提供最佳關(guān)系和固定點(diǎn)。在新的學(xué)習(xí)中，如果原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中沒(méi)有適當(dāng)?shù)?、起固定作用的觀念可以用來(lái)同化新知識(shí)，那么，個(gè)體往往只能進(jìn)行機(jī)械學(xué)習(xí)。在這種情況下，新知識(shí)不能有效地被固定在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，從而產(chǎn)生不穩(wěn)定和含糊的意義，因而無(wú)法表現(xiàn)出積極的遷移現(xiàn)象。

根據(jù)奧蘇貝爾的有意義學(xué)習(xí)理論，如果學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中有可利用的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，則有助于學(xué)習(xí)遷移。例如，學(xué)生掌握了“鳥(niǎo)”這一概念，如果要學(xué)習(xí)“鸚鵡”這一概念，原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的上位概念“鳥(niǎo)”和新學(xué)習(xí)的下位概念“鸚鵡”相互作用，就加深了學(xué)生的理解。

2.新的學(xué)習(xí)任務(wù)與原有觀念系統(tǒng)可以辨別的程度，是影響有意義學(xué)習(xí)和遷移的另一個(gè)重要的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量。如果新學(xué)習(xí)任務(wù)不能與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有的觀念清晰地區(qū)分，則新的意義很容易被原有意義所取代，從而表現(xiàn)出對(duì)新知識(shí)的遺忘。

3.原有的起固定作用觀念的穩(wěn)定性，是影響有意義學(xué)習(xí)與長(zhǎng)久保持的第三個(gè)重要的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量。認(rèn)知結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是指學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中起固定作用的觀念的鞏固程度，其鞏固程度越強(qiáng)，越有助于學(xué)習(xí)遷移。

總之，認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論認(rèn)為，學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的可利用性越高、可分辨性越大、穩(wěn)定性越強(qiáng)，就會(huì)越促進(jìn)新知識(shí)學(xué)習(xí)的遷移。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，可以通過(guò)改革教材內(nèi)容和教材呈現(xiàn)方式來(lái)改進(jìn)學(xué)生的原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移的目的。奧蘇貝爾的認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論代表了從認(rèn)知觀點(diǎn)來(lái)解釋遷移的一種主流傾向。