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第1章 认知无线电技术的历史和背景1

1.1认知无线电前景1

1.2认知无线电产生的历史和背景1

1.3软件定义无线电简要历史3

1.4基本SDR6

1.4.1 SDR硬件体系结构6

1.4.2 SDR中计算处理资源8

1.4.3 SDR软件体系结构10

1.5认知无线电11

1.5.1认知无线电中的Java反射11

1.5.2认知无线电中的智能天线12

1.5.3政策引擎12

1.6频谱管理13

1.6.1非授权频谱管理14

1.6.2噪声叠加15

1.6.3聚集频谱需求和使用转租方法16

1.6.4优先接入16

1.7美国政府在认知无线电发展中的作用17

1.7.1 DARPA17

1.7.2 FCC17

1.7.3 NSF/CSTB研究17

1.8智能程度18

1.9本书组织结构19

参考文献21

第2章 通信政策和频谱管理22

2.1引言22

2.2推动认知无线电发展的技术22

2.3频谱接入新机会25

2.3.1当前频谱接入技术25

2.3.2机会式频谱接入29

2.3.3动态频率选择31

2.4认知无线电的政策挑战31

2.4.1动态频谱接入32

2.4.2安全性34

2.4.3认知无线电之前的通信政策35

2.4.4认知无线电对通信政策的影响35

2.4.5美国通信政策开始于泰坦尼克号36

2.4.6美国通信政策：与技术同步37

2.5通信政策和技术对监管制度的影响38

2.5.1基本几何结构38

2.5.2动态政策介绍40

2.5.3政策驱动的设备介绍41

2.5.4干扰避免42

2.5.5综合影响42

2.6认知无线电全球政策43

2.6.1全球兴趣43

2.6.2美国对认知无线电实现动态频谱接入的看法45

2.7小结48

习题49

参考文献49

第3章 认知无线电平台：软件定义无线电51

3.1引言51

3.2硬件体系结构52

3.2.1框图53

3.2.2基带处理器引擎57

3.2.3基带处理配置59

3.2.4多核系统和片上系统61

3.3软件体系结构61

3.4 SDR开发和设计64

3.4.1 GNURadio64

3.4.2软件通信体系结构64

3.5应用73

3.6开发75

3.6.1组件开发75

3.6.2波形开发76

3.7认知波形开发77

3.8小结78

参考文献79

第4章 认知无线电所需技术80

4.1引言80

4.2无线电灵活性及无线电功能80

4.2.1无线电灵活性和无线电功能的持续发展81

4.2.2软件可支持无线电举例82

4.2.3软件可编程无线电举例83

4.2.4 SDR举例84

4.3意识无线电、自适应无线电和认知无线电85

4.3.1意识无线电85

4.3.2自适应无线电85

4.3.3认知无线电86

4.4无线电功能和特点的比较87

4.5认知无线电可用技术87

4.5.1地理定位88

4.5.2频谱感知/频率占用88

4.5.3生物测定88

4.5.4时间89

4.5.5空间意识或情景意识90

4.5.6软件技术90

4.5.7频谱意识及租借潜力94

4.6对认知无线电的资助和研究95

4.6.1认知地理定位应用95

4.6.2动态频谱接入和频谱意识97

4.6.3会合问题100

4.6.4认知无线电认证应用101

4.7认知无线电发展历程102

4.7.1决策、方向和标准103

4.7.2新产品生产103

4.8 CR相关技术的更新103

4.8.1传感器和基础设施103

4.8.2 PHY、 MAC和网络层104

4.8.3推理器104

4.8.4政策105

4.8.5硬件和演示105

4.9小结106

习题107

参考文献107

第5章 频谱意识与频谱接入研究109

5.1动态频谱意识和频谱接入的目标109

5.2频谱意识和接入的先期工作109

5.3端到端的DSA实现例子111

5.4动态频谱意识112

5.4.1频谱环境特征化总结112

5.4.2信号带宽频谱环境特征化113

5.4.3前端能量分布和前端非线性的重要性116

5.5前端线性管理122

5.5.1实验数据的前端线性表示124

5.5.2前端线性管理算法和方法127

5.5.3前端线性管理的优势130

5.6动态频谱接入目标133

5.6.1抗干扰工作136

5.6.2抗干扰DSA139

5.7频谱覆盖管理目标140

5.8网络级决策142

5.8.1 DSA驱动的动态带宽拓扑143

5.8.2 DSA驱动的动态拓扑和网络组织143

5.9小结144

习题145

参考文献145

第6章 认知政策引擎148

6.1无线电政策管理展望148

6.2背景和定义148

6.3频谱政策149

6.3.1频谱政策管理150

6.3.2频谱政策管理的系统要求150

6.4认知政策管理先例151

6.4.1 DARPA的政策管理计划151

6.4.2政策管理的学术研究152

6.4.3政策管理的商业应用153

6.4.4政策管理的标准化工作154

6.5无线电政策引擎体系结构156

6.5.1政策引擎工作概念156

6.5.2政策管理的技术方法157

6.5.3驱动技术159

6.6政策引擎与认知无线电的集成160

6.6.1软件通信体系结构集成160

6.6.2政策引擎设计161

6.6.3无线电与网络政策管理体系结构的集成163

6.7认知政策管理的未来164

6.7.1认知政策管理的军事机会165

6.7.2频谱管理的商业机会166

6.7.3采用政策管理体系结构的障碍166

6.8小结167

参考文献167

第7章 物理层和链路层认知技术170

7.1引言170

7.2当前信道条件下物理层和链路层的多目标优化170

7.3认知无线电的定义171

7.4建立无线电控制和性能测量172

7.4.1物理层和链路层参数173

7.4.2将结果建模为主要目标175

7.5 MODM理论及其在认知无线电中的应用177

7.5.1 MODM定义及其基本表示178

7.5.2约束建模178

7.5.3 Pareto最优化前沿：找到不受支配解178

7.5.4无线电环境是一个MODM问题179

7.5.5 MODM求解的GA方法180

7.6用于认知无线电的多目标遗传算法184

7.6.1认知环184

7.6.2将无线电参数表示成染色体基因187

7.6.3染色体的多维分析188

7.6.4相对聚池锦标赛选择190

7.6.5 WSGA举例190

7.7高级遗传算法技术193

7.7.1种群初始化193

7.7.2以先前观测到的解启动GA194

7.7.3 GA的CBDT初始化194

7.8高层智能需求196

7.8.1自主调整参数来实现目标196

7.8.2奖励好的行为以及惩罚差的行为196

7.9智能计算机的工作方式198

7.9.1感知和环境意识198

7.9.2决策和优化199

7.9.3案例学习199

7.9.4权重和目标函数199

7.9.5分布式学习199

7.10小结200

参考文献201

第8章 认知技术：位置意识204

8.1引言204

8.2无线电地理定位和时间业务204

8.2.1全球定位系统205

8.2.2坐标系变换207

8.3网络定位208

8.3.1空间变化网络业务可用性208

8.3.2地理定位驱动的路由209

8.3.3各种功能210

8.4地理定位的其他方法210

8.4.1基于时间的方法210

8.4.2到达角方法214

8.4.3接收信号强度方法215

8.5基于网络的方法216

8.6边界判决216

8.6.1监管区域选择216

8.6.2政策服务器及区域219

8.6.3边界判决的其他用处219

8.7蜂窝电话911为急救人员提供地理定位举例219

8.8与其他认知技术的接口220

8.8.1政策引擎接口220

8.8.2组网功能接口220

8.8.3计划引擎接口221

8.8.4用户接口221

8.9小结221

习题222

参考文献222

第9章 认知技术：三种网络意识223

9.1引言223

9.2应用及其要求223

9.3网络意识：协议225

9.3.1动态协议组成225

9.3.2动态协议组成的特征交互226

9.3.3认知控制227

9.4边缘网络技术情景意识协议228

9.5网络意识：节点功能和协作229

9.6无线电分布式系统：无线电小组230

9.6.1维护一条协作信道231

9.6.2小组内分布式工作231

9.6.3分布式学习环境231

9.7网络意识：用于自布局的节点位置和认知232

9.8小结233

习题233

参考文献233

第10章 用户认知业务236

10.1引言236

10.2语音和语言处理237

10.2.1说话人识别237

10.2.2语言辨认243

10.2.3文语转换243

10.2.4语文转换244

10.2.5机器翻译245

10.2.6背景噪声抑制245

10.2.7语音编码246

10.2.8说话人变异音特征化247

10.2.9噪声特征化247

10.3门房业务248

10.4小结249

参考文献250

第11章 网络支持：无线电环境地图252

11.1引言252

11.2 REM：提供CR网络支持的工具253

11.2.1内部和外部网络支持253

11.2.2 REM介绍254

11.2.3 REM在认知环中的作用255

11.3利用REM获得认知能力：一种系统综合的方法255

11.3.1意识：认知无线电的先决条件256

11.3.2意识分类257

11.3.3通过REM获得SA：一种综合的、有成本效益的方法259

11.3.4 REM驱动的认知引擎的结构261

11.4 REM高层系统设计262

11.4.1 REM分类262

11.4.2 REM数据库设计指南262

11.4.3实现REM的技术266

11.4.4 REM的支撑元素267

11.4.5 REM和认知引擎之间的API270

11.4.6 REM分发方案和负荷分析271

11.5网络支持场景和应用273

11.5.1基于基础设施的网络和中心式全局REM273

11.5.2 Ad hoc网络和分布式本地REM274

11.6 REM在认知无线网络中的应用举例276

11.6.1 REM应用于802.22WRAN276

11.6.2 REM应用于ad hoc频谱共享网络279

11.7小结与待研究问题281

习题282

参考文献283

第12章 认知研究：知识表示与学习286

12.1引言286

12.2知识表示和推理289

12.2.1符号表示290

12.2.2本体论和框架系统292

12.2.3行为表示293

12.2.4案例推理293

12.2.5规则系统295

12.2.6时间知识296

12.2.7知识表示小结297

12.3机器学习298

12.3.1 记忆298

12.3.2分类器299

12.3.3贝叶斯逻辑300

12.3.4决策树300

12.3.5强化学习301

12.3.6时间差分法303

12.3.7神经网络304

12.3.8遗传算法305

12.3.9仿真与博弈306

12.4实现考虑306

12.4.1计算要求306

12.4.2脆弱性和边界条件306

12.4.3可预测行为306

12.5小结307

习题309

参考文献309

第13章 本体论在认知无线电中的作用311

13.1基于本体论的无线电概述311

13.2认知无线电的知识密集性311

13.2.1约束和要求知识312

13.2.2信息收集和融合313

13.2.3情景意识和建议313

13.2.4自意识313

13.2.5用户、自身或者其他无线电的查询314

13.2.6查询响应和命令执行314

13.2.7资源协商314

13.2.8协议栈各个层的动态互用性314

13.3本体论及其在认知无线电中的作用315

13.3.1基础315

13.3.2本体语言316

13.3.3查询317

13.3.4推理318

13.3.5本体论在知识密集应用中的作用319

13.4分层本体和参考模型319

13.4.1物理层本体319

13.4.2数据链路层本体321

13.5例子325

13.5.1对时延或误差的响应325

13.5.2训练序列长度调整326

13.5.3数据链路层协议一致性和选择328

13.6待解决研究问题328

13.6.1本体开发和统一329

13.6.2本体映射329

13.6.3学习330

13.6.4推理的有效性330

13.7小结331

习题332

参考文献332

第14章 认知无线电体系结构335

14.1引言335

14.1.1使用案例演化335

14.1.2本章结构336

14.2 CRA-Ⅰ：功能、组件和设计规则337

14.2.1认知无线电功能组件体系结构337

14.2.2设计规则包括功能组件接口340

14.2.3近期实现343

14.2.4认知组件344

14.2.5自指示组件348

14.2.6组件体系结构的灵活功能349

14.3 CRA-Ⅱ：认知环350

14.3.1认知环351

14.3.2观测（感知和感觉）352

14.3.3定向352

14.3.4计划353

14.3.5决策353

14.3.6行动353

14.3.7学习354

14.3.8自监视354

14.4 CRA-Ⅲ：推断等级355

14.4.1原子激励356

14.4.2本原序列：词和死区357

14.4.3基本序列357

14.4.4 CRA推断等级中的NL357

14.4.5用于场景解释的观测-定向链路359

14.4.6用于无线电技能集合的观测-定向链路360

14.4.7普通世界知识361

14.5 CRA-ⅣV：体系结构映射362

14.5.1 CRA拓扑映射363

14.5.2 CRA对自身、所有者和归属网络的识别363

14.5.3 CRA强化等级序列364

14.5.4 CRA中的行为364

14.5.5从映射到API365

14.5.6工业级推断等级366

14.6 CRA-V：在SDR体系结构上构造CRA367

14.6.1 SWR和SDR原理概述367

14.6.2无线电体系结构369

14.6.3 SC A370

14.6.4无线电功能转换模型373

14.6.5体系结构演化：从SDR到CR374

14.6.6认知电子学374

14.6.7无线电何时向认知转换374

14.6.8无线电向CRA演化376

14.7认知体系结构研究课题376

14.8工业级CR设计规则376

14.9小结及后续研究方向378

习题379

参考文献379

第15章 认知无线电性能分析381

15.1引言381

15.2分析问题383

15.2.1 CR网络标准模型384

15.2.2分析目标385

15.3传统工程分析技术387

15.3.1动态系统方法387

15.3.2压缩映像和一般收敛定理391

15.3.3马尔可夫模型394

15.4博弈论用于分析问题396

15.4.1博弈论基本元素397

15.4.2博弈基本元素与认知环的映射398

15.4.3基本博弈模型398

15.4.4博弈论基本分析技术399

15.5相关博弈模型403

15.5.1潜博弈403

15.5.2超模博弈411

15.5.3博弈论对CR网络的价值415

15.6小结418

习题419

参考文献420

第16章 多天线系统中的认知无线电422

16.1引言422

16.2多天线技术422

16.2.1多天线系统422

16.2.2重要准则425

16.3 MA系统中的认知能力428

16.3.1 MA系统中的CR结构428

16.3.2无线电环境观测430

16.3.3多天线系统中的认知引擎433

16.4在下一代无线通信中的应用436

16.5小结437

参考文献437

第17章 认知无线电政策语言和政策引擎439

17.1引言439

17.2基于政策的方法的优点441

17.3下一代频谱政策体系结构442

17.4政策语言和引擎设计444

17.4.1政策语言设计444

17.4.2政策引擎设计考虑445

17.5 SRI频谱政策语言446

17.5.1本体论448

17.5.2表示方式说明450

17.5.3政策举例450

17.5.4请求与回复451

17.5.5频谱政策语言小结452

17.6 SRI政策引擎452

17.6.1带有约束的推理453

17.6.2 Maude实现454

17.7 SRI政策引擎演示459

17.7.1 SRI政策工具459

17.7.2实验结果463

17.8经验和未来工作464

17.8.1经验之谈464

17.8.2未来工作465

17.9小结466

参考文献466

第18章 基于谱相关的频谱感知468

18.1引言468

18.1.1认知无线电：意识和自适应468

18.1.2谱相关简介469

18.1.3频谱感知考虑因素469

18.1.4频谱感知方法472

18.1.5典型例子475

18.1.6本章结构477

18.2通信信号统计特征477

18.2.1平稳信号和非平稳信号477

18.2.2循环自相关函数478

18.2.3谱相关函数478

18.2.4复值信号扩展479

18.2.5谱相干479

18.2.6主要统计特性480

18.2.7有效统计估计方法482

18.3基于谱相关的频谱感知484

18.3.1循环频率检测484

18.3.2联合循环频率检测485

18.3.3谱相关匹配：循环检测器485

18.3.4与其他感知方法的联系486

18.4现代通信信号中的应用487

18.4.1构建感知算法的一般方法487

18.4.2 ATSC DTV487

18.4.3 CDMA信号族489

18.4.4蜂窝TDMA信号族491

18.4.5 GSM信号族492

18.4.6 IEEE 802.11 b： DSSS和CCK494

18.4.7 IEEE 802.11a/g： OFDM497

18.5总结499

习题500

参考文献500

第19章 认知无线电网络的会合504

19.1引言504

19.2使用控制信道505

19.3盲会合506

19.3.1随机会合507

19.3.2基于序列的会合507

19.4链路维护和主用户的影响510

19.5总结510

参考文献511

第20章 频谱消耗模型512

20.1引言512

20.2协调DSA及频谱管理513

20.2.1频谱管理的持久目标513

20.2.2动态频谱接入的前景515

20.2.3政策的局限性516

20.2.4管理DSA的挑战517

20.2.5 DSA频谱管理的替代方法517

20.3说明RF频谱权利的基于位置的方法518

20.3.1 10个组件518

20.3.2最大功率密度520

20.3.3频谱消耗及信号空间建模520

20.3.4传播模型521

20.3.5功率建模522

20.3.6用于功率和传播地图的方向向量523

20.3.7位置建模524

20.3.8最小、功率密度525

20.3.9协议和政策525

20.3.10时间模型526

20.3.11发射机和接收机权利建模526

20.3.12兼容性和计算兼容复用527

20.4 LBSR的最优数据结构531

20.4.1频谱和衬底掩模的传输编码531

20.4.2方向向量的传输编码532

20.4.3功率和传播值传输编码534

20.4.4简明向量举例535

20.5构建权利537

20.5.1性能界限537

20.5.2模型实例540

20.6应用542

20.6.1计算和优化频谱复用542

20.6.2表达机器可读的政策542

20.6.3动态频谱管理542

20.6.4二级频谱市场543

20.7未来研究和工作544

20.8小结544

参考文献545

第21章 认知无线电自适应调整协议546

21.1引言546

21.2调制546

21.3差错控制码548

21.4编码-调制库的性能评估548

21.5编码-调制库的一个特殊子集551

21.6接收机统计量552

21.7初始功率调整553

21.7.1初始功率调整概述554

21.7.2初始功率调整协议描述555

21.7.3 P-ADJ协议性能评估556

21.7.4无约束功率系统的性能结论558

21.7.5 有功率限制系统的性能结论560

21.7.6初始功率调整所需时间561

21.8自适应传输561

21.9动态信道的协议吞吐量性能563

21.9.1时变传播损耗564

21.9.2时变干扰565

21.10小结567

习题568

参考文献568

第22章 认知网络570

22.1引言570

22.2当前认知网络的研究573

22.2.1观测575

22.2.2定向576

22.2.3决定578

22.2.4行动579

22.3研究空白和未来研究方向580

22.4小结582

参考文献583

第23章 IEEE标准在下一代无线电以及动态频谱发展中的作用585

23.1引言585

23.2定义与术语588

23.3 IEEE标准活动概述590

23.4 IEEE802认知无线电的有关活动592

23.4.1 802.22的参考体系结构594

23.4.2 802.22 PHY层概述596

23.4.3 802.22 MAC层概述598

23.5 IEEE SCC41：动态频谱接入网络599

23.5.1 IEEE P1900.1： NG无线电系统和频谱管理的术语以及概念599

23.5.2 IEEE P1900.2：对干扰和共存分析的建议措施600

23.5.3 IEEE P1900.3：对SDR软件模块一致性评估的建议措施600

23.5.4 IEEE P1900.4：体系结构构建模块驱动的用于优化无线电资源使用的网络设备分布式决策601

23.5.5 P1900.5：管理用于DSA的CR的政策语言601

23.5.6对P1900.4标准的细节补充601

23.6新产品和新系统的潜力609

23.6.1商业610

23.6.2美国国防部610

23.7小结611

参考文献611

第24章 难题613

24.1引言613

24.2 CR技术总结与讨论613

24.3基础设施为无线网络提供的业务618

24.3.1具有认知功能的单机无线电619

24.3.2蜂窝基础设施对认知的支持619

24.3.3数据无线电620

24.3.4基础设施提供的认知业务621

24.3.5待解决难题622

参考文献622

术语表623