智能無線電背景及發(fā)展現(xiàn)狀

軟件無線電（SDR）和認(rèn)知無線電（CR），是目前智能無線電技術(shù)技術(shù)討論的主要熱點(diǎn)。隨著SDR 和CR 的深入研究，人們已經(jīng)意識(shí)到其潛在能力不僅停留在最初要解決的問題上，還可以具有超出通信領(lǐng)域更廣泛、更強(qiáng)大的應(yīng)用。第1 節(jié)從智能無線電技術(shù)需要解決的問題入手，介紹了SDR 和CR 概念的由來、關(guān)鍵技術(shù)概述以及應(yīng)用情況，并討論了SDR和CR 的關(guān)系。

1、無線通信中的兩個(gè)問題

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的信號(hào)形式和各種各樣的無線通信系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)，通信行業(yè)出現(xiàn)了空前的繁華。伴隨著這些系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展也出現(xiàn)了兩大問題，針對(duì)這兩個(gè)問題智能無線電技術(shù)被提出并得到了廣泛探討。

不同通信系統(tǒng)間的協(xié)同工作、無縫連接、多標(biāo)準(zhǔn)及多模式兼容成為了一大難題。例如，在大規(guī)模普及的無線移動(dòng)通信中，隨著各種新標(biāo)準(zhǔn)、新協(xié)議的不斷發(fā)布，無線系統(tǒng)制造商和通信服務(wù)提供商不得不通過系統(tǒng)升級(jí)，融入先進(jìn)的技術(shù)，不斷為用戶提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。但是，從1G到4G 的發(fā)展過程中，暴露出一些體制升級(jí)帶來的嚴(yán)重問題。對(duì)系統(tǒng)的反復(fù)重新設(shè)計(jì)和硬件的不斷更新?lián)Q代，不僅消耗昂貴的成本，而且浪費(fèi)了很多資源，同時(shí)給終端用戶也帶來諸多不便。為此，越來越多的服務(wù)提供商和用戶都開始關(guān)注能經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的無線通信系統(tǒng)，而不是像現(xiàn)在的系統(tǒng)（隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷地面臨被淘汰、廢棄的尷尬境地）。當(dāng)然，這些問題并非僅存在于移動(dòng)通信中，而是一直普遍存在于各類通信形式中。在這樣的背景下，人們?cè)跓o線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出了一種經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法—— 軟件無線電。

無線通信中的另一個(gè)重要問題是頻譜資源的有效利用率低。目前對(duì)于頻譜資源管理，國(guó)際上采用的通用做法是實(shí)行授權(quán)和非授權(quán)頻率管理體制，對(duì)于授權(quán)頻段，非授權(quán)者不得隨意使用。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的研究表明，在大部分時(shí)間和地區(qū)，授權(quán)頻段的平均利用率在15～85%之間。另一方面，開放使用的非授權(quán)頻段占整個(gè)頻譜資源的很小一部分，而在該頻段上的用戶卻很多，業(yè)務(wù)量擁擠，無線電頻段已基本趨于飽和。靜態(tài)的頻譜分配原則導(dǎo)致頻譜資源利用極不均衡。顯然，真正的問題不是頻譜資源的匱乏，而是我們目前采用的固定頻譜分配制度，該制度是一種頻譜利用率極其低下的分配制度。如何對(duì)不可再生的頻譜資源合理再利用并實(shí)現(xiàn)頻譜共享，已成為目前全球性的研究熱點(diǎn)。為解決頻譜資源的有效利用問題，基于軟件無線電的認(rèn)知無線電應(yīng)運(yùn)而生了。

2、軟件無線電

軟件無線電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無線設(shè)備的有效而且相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的解決方案，可以通過軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)功能提高。軟件無線電可以使整個(gè)系統(tǒng)（包括用戶終端和網(wǎng)絡(luò)）采用動(dòng)態(tài)的軟件編程對(duì)設(shè)備特性進(jìn)行重配置，也就是說相同的硬件可以通過軟件定義來完成不同的功能。

人們逐漸認(rèn)識(shí)到SDR 的潛力并非僅局限于通信領(lǐng)域，它也可應(yīng)用在無線電工程的其他相關(guān)領(lǐng)域，如雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、廣播電視、測(cè)控等。而軟件無線電論壇對(duì)軟件無線電的定義更加全面、系統(tǒng)，它強(qiáng)調(diào)了軟件無線電是一種新型的體系結(jié)構(gòu)，是一種解決方案，同時(shí)強(qiáng)調(diào)通過動(dòng)態(tài)的軟件編程可以對(duì)相同的硬件進(jìn)行重構(gòu)，使之完成不同的功能等思想。SDR 的第3 種定義，已經(jīng)超出了通信領(lǐng)域，它討論的是現(xiàn)代無線電工程。相比一個(gè)無線電系統(tǒng)，SDR 更像是一種設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念。第3 種定義強(qiáng)調(diào)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，便于重構(gòu)和升級(jí)的構(gòu)件化功能軟件。

從上述討論中，我們對(duì)軟件無線電的特點(diǎn)有了一定的認(rèn)識(shí)，其具體特點(diǎn)可以概況為：天線智能化、前端寬帶化、硬件通用化、功能軟件化和軟件構(gòu)件化。簡(jiǎn)單地說，具備這些特點(diǎn)的軟件無線電在其系統(tǒng)硬件無需變更的情況下，可以在不同的時(shí)候根據(jù)需要通過軟件加載來完成不同的功能。圖1 給出了軟件無線體系框架。

圖1、軟件無線電體系框架

對(duì)于軟件無線電，人們關(guān)注最多的是它的組成結(jié)構(gòu)、硬件實(shí)現(xiàn)、技術(shù)可行性等，一開始很少有人關(guān)心軟件無線電的理論支撐，因此造成從事軟件無線的相關(guān)新人無法客觀地認(rèn)識(shí)軟件無線體系。圖1 給出了軟件無線電體系框架，比較系統(tǒng)地描述SDR體系，包括軟件無線電的理論體系、軟件無線電的技術(shù)體系以及軟件無線電的應(yīng)用體系。目前軟件無線電的理論、軟件算法及應(yīng)用等并不局限于圖1 里提及的。圖2 給出了一種實(shí)際的SDR 體系，它是一種全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際SDR架構(gòu)。

圖2、一種WiMAX 網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際SDR 架構(gòu)

軟件無線的應(yīng)用較為廣泛。軟件無線電的概念雖然是從通信領(lǐng)域提出的，但這一概念一經(jīng)提出就得到了包括通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、測(cè)控、衛(wèi)星載荷以及民用廣播電視等整個(gè)無線電工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，已成為無線電工程領(lǐng)域具有廣泛適用性的現(xiàn)代方法。經(jīng)過近20 年的推廣和全世界范圍的深入研究，軟件無線電概念不僅得到了普遍認(rèn)可，而且已獲得廣泛應(yīng)用。尤其是近幾年，軟件無線電的發(fā)展勢(shì)頭更猛，已遍布到無線電工程的每一個(gè)角落：從3G 到4G，從美軍的多頻段多模式電臺(tái)（MBMMR）到聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）都是以軟件無線電概念進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)的，甚至就連完成單一功能的全球定位系統(tǒng)（GPS）也要進(jìn)行軟件化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)未來導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展需要。

3、智能化軟件無線電——認(rèn)知無線電

認(rèn)知無線電概念最早是由瑞典Joseph Mitola 博士于1999 年8 月提出的，是對(duì)軟件無線電功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。Joseph Mitola 博士提出認(rèn)知無線電的概念，最初的主要目的是想解決前面提到的頻譜資源的有效利用問題。

認(rèn)知無線電是一種具有頻譜感知能力的智能化軟件無線電，它可以自動(dòng)感知周圍的電磁環(huán)境，通過無線電知識(shí)描述語(yǔ)言（RKRL）與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流，尋找“頻譜空穴”，并通過通信協(xié)議和算法將通信雙方的信號(hào)參數(shù)（包括通信頻率、發(fā)射功率、調(diào)制方式、帶寬等）實(shí)時(shí)地調(diào)整到最佳狀態(tài)，使通信系統(tǒng)的無線電參數(shù)不僅與規(guī)則相適應(yīng)，而且能與環(huán)境相匹配，并且無論何時(shí)何地都能達(dá)到通信系統(tǒng)的高可靠性以及頻譜利用的高效性。

認(rèn)知無線電的架構(gòu)設(shè)計(jì)原則是將SDR、傳感器、感知和自主機(jī)器學(xué)習(xí)（AML）融合在一起，利用在射頻（RF）端和用戶域中的觀察（傳感、感知）、導(dǎo)向、規(guī)劃、決策、行動(dòng)和學(xué)習(xí)（OOPDAL 環(huán)）能力，來提供更好的信息質(zhì)量（QoI），并且利用SDR、傳感器、感知和AML 集成在一起創(chuàng)造意識(shí)、自適應(yīng)和認(rèn)知無線電，在射頻和用戶域完成從簡(jiǎn)單的感知或自適應(yīng)變換為確定的認(rèn)知無線電。圖3 給出了理想認(rèn)知無線電功能組件架構(gòu)，包括了SDR 單元和相關(guān)認(rèn)知單元。認(rèn)知無線電架構(gòu)在計(jì)算智能和學(xué)習(xí)能力上提升了軟件無線電。

圖3、理想認(rèn)知無線電功能組件架構(gòu)

圖4給出了最簡(jiǎn)單的由意識(shí)與自適應(yīng)邁向認(rèn)知無線電的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，便于讀者從功能特性上來認(rèn)識(shí)認(rèn)知無線電。該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)包括了6 種功能單元。

圖4、最簡(jiǎn)單的由意識(shí)與自適應(yīng)邁向認(rèn)知無線電的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

6 種認(rèn)知無線電架構(gòu)（CRA）功能單元分別是：

·用戶傳感感知（USER SP）接口，包括觸覺、聽覺和視覺感覺與感知功能。·本地環(huán)境傳感器，包括位置、溫度、加速計(jì)、指南針等?！は到y(tǒng)應(yīng)用，例如玩網(wǎng)游等獨(dú)立于媒體的服務(wù)?！DR 功能，包括射頻感知和SDR 無線應(yīng)用?！ふJ(rèn)知功能，用于系統(tǒng)控制的符號(hào)訓(xùn)練、計(jì)劃和學(xué)習(xí)?！け镜匦?yīng)器功能，包括語(yǔ)音合成、文本、圖形和多媒體顯示。

認(rèn)知無線電的主要特點(diǎn)是它的重構(gòu)能力，它不僅要完成最主要的通信功能，同時(shí)還需要具備包括信道搜索與信號(hào)分析在內(nèi)的電子偵察的功能。認(rèn)知無線電的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5、認(rèn)知無線電體系結(jié)構(gòu)

頻譜分析主要完成對(duì)“ 頻譜空穴”的分析，如“ 空穴”所占的帶寬、“ 空穴”的干擾或噪聲電平、“ 空穴”的時(shí)間分布特性等。另外，頻譜分析還需完成對(duì)新信號(hào)的調(diào)制識(shí)別、信號(hào)參數(shù)測(cè)量等，以便進(jìn)行后續(xù)的解調(diào)解碼和協(xié)議分析。

頻譜決策是指在完成頻譜掃描和頻譜分析的基礎(chǔ)上，確定通信載頻、通信體制、通信參數(shù)和發(fā)射電平。

頻譜監(jiān)視是指雙方在建立通信后，對(duì)該通信信道所進(jìn)行的“在線”檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)有“干擾”信號(hào)存在（該干擾可能是授權(quán)用戶信號(hào)，也可能是無意或有意的干擾信號(hào)），立即進(jìn)行“頻譜搬移”，主動(dòng)讓出該信道，并尋找新的“頻譜空穴”建立通信。

鏈路建立是指在完成頻譜決策后，根據(jù)所確定的載頻、電平、體制等信號(hào)參數(shù)以及鏈路建立協(xié)議，通過波形產(chǎn)生模塊并且快速形成鏈路建立信號(hào)，同時(shí)主動(dòng)發(fā)向?qū)Ψ?，并等待?duì)方的回執(zhí)。

調(diào)制發(fā)射主要完成信號(hào)產(chǎn)生功能，它借助可重構(gòu)軟件無線電平臺(tái)，通過加載軟件可以產(chǎn)生所需要的各種通信信號(hào)。

接收解調(diào)主要完成對(duì)通信信號(hào)的接收和解調(diào)，它借助可重構(gòu)軟件無線電平臺(tái)，通過加載軟件可以對(duì)各種通信信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。

協(xié)議分析主要完成對(duì)鏈路建立信號(hào)解調(diào)比特流的分析，并根據(jù)預(yù)先約定的通信協(xié)議進(jìn)行特征碼、信息字段的提取，以確定通信對(duì)象（包括所在的地理位置信息）、通信體制、通信頻率等信息，并按要求向?qū)Ψ桨l(fā)送鏈路建立回執(zhí)。

認(rèn)知協(xié)議是認(rèn)知無線電的核心，它是認(rèn)知無線電具有“ 認(rèn)知”能力的重要保證。認(rèn)知協(xié)議完成感知信息交換，即將收發(fā)兩方的“頻譜空穴”信息互相傳遞，解決了己方不清楚對(duì)方“頻譜空穴”的問題。

由上述分析可知，認(rèn)知無線電不僅具有通信功能，而且還需具備頻譜探測(cè)能力，具有多功能特征，但其功能實(shí)現(xiàn)還需要借助于軟件無線電來實(shí)現(xiàn)。

4、SDR 和CR 的關(guān)系

認(rèn)知無線電的主要特點(diǎn)之一就是自適應(yīng)性，即根據(jù)無線通信環(huán)境、用戶所在位置、網(wǎng)絡(luò)條件、地理位置等信息的變化來改變通信參數(shù)（包括頻率、功率、調(diào)制方式、帶寬等）。這種動(dòng)態(tài)加載性，正是SDR 具備的能力，由于不使用特定功能的模擬電路和器件，SDR 能夠提供一種靈活的無線通信功能。由此看來，認(rèn)知無線電的一種良好的實(shí)現(xiàn)方式就是圍繞SDR 來進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是說，SDR 技術(shù)可以認(rèn)為是CR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)內(nèi)核。正如Joseph Mitola 博士所說，CR是對(duì)SDR 功能的進(jìn)一步擴(kuò)展，可以理解為CR 能夠根據(jù)所處環(huán)境和地理位置以及內(nèi)部狀態(tài)，能自行調(diào)整其運(yùn)行的功能應(yīng)用來達(dá)到定制目標(biāo)的SDR。

CR 的模型可能存在多種，從功能上簡(jiǎn)單劃分，可以分成四大模塊：認(rèn)知模塊、上層功能模塊、內(nèi)部和外部感知模塊、軟件定義無線電模塊，如圖6 所示。

圖6、SDR 和CR 關(guān)系

認(rèn)知模塊根據(jù)輸入?yún)?shù)的變化來控制SDR，這些參數(shù)是從無線環(huán)境、用戶內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)（感知）中獲得；認(rèn)知模塊對(duì)無線電硬件的性能和硬件設(shè)備可以認(rèn)知，可以知道無線通信參數(shù)。SDR 模塊就是基于軟件的數(shù)字信號(hào)處理組件（ 如GPP/DSP/FPGA 等可編程器件）和軟件可調(diào)射頻組件（如電子可調(diào)濾波器）。由于SDR 支持多種標(biāo)準(zhǔn)（如GSM/EDGE/WCDMA/CDMA2000/Wi-Fi、WiMAX），同時(shí)支持多種接入技術(shù)（如TDMA/CDMA/OFDMA/SDMA），并且支持寬頻帶不同帶寬的工作方式，其應(yīng)用非常靈活。

將SDR 和CR 相比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：SDR 關(guān)注的是采用軟件方式實(shí)現(xiàn)無線電系統(tǒng)信號(hào)的處理，而CR 強(qiáng)調(diào)的是無線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化，并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳適配。從這個(gè)意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號(hào)處理，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層活動(dòng)。所以，認(rèn)知無線電是智能化的軟件無線電。

目前，軟件無線電仍未得到完全發(fā)展，對(duì)于軟件無線電平臺(tái)的開發(fā)，對(duì)軟件無線電應(yīng)用以及認(rèn)知無線電的開發(fā)都具有重要意義。在第2 講中我們將重點(diǎn)介紹CR 技術(shù)的基礎(chǔ)核心SDR 的架構(gòu)，以期對(duì)相關(guān)軟件無線電和認(rèn)知無線電預(yù)研人員或正在跟蹤項(xiàng)目的開發(fā)人員提供技術(shù)信息支持。