智能無線電技術(shù)（1）

宋騰輝+竇崢+林云

[編者按]隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，智能無線電技術(shù)逐漸成為通信領(lǐng)域關(guān)注的熱點，并給無線通信帶來新的發(fā)展空間。講座將分為3期對智能無線電技術(shù)技術(shù)進(jìn)行介紹：第1期講述智能無線電技術(shù)的背景及發(fā)展現(xiàn)狀；第2期詳細(xì)介紹了智能無線電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)——軟件無線電的架構(gòu)，并從其應(yīng)用及通用平臺設(shè)計角度分析各類平臺的優(yōu)缺點；第3期介紹了軟件無線應(yīng)用中的多種開發(fā)工具。

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-6868 （2014） 01-0063-04

1 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。隨著SDR和CR的深入研究，人們已經(jīng)意識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。

1.1 無線通信中的兩個問題

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的信號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，針對這兩個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，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帶來的嚴(yán)重問題。對系統(tǒng)的反復(fù)重新設(shè)計和硬件的不斷更新?lián)Q代，不僅消耗昂貴的成本，而且浪費了很多資源，同時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)得起時間考驗的無線通信系統(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，人們在無線通信系統(tǒng)設(shè)計中提出了一種經(jīng)得起時間考驗的系統(tǒng)設(shè)計方法——軟件無線電。

無線通信中的另一個重要問題是頻譜資源的有效利用率低。目前對于頻譜資源管理，國際上采用的通用做法是實行授權(quán)和非授權(quán)頻率管理體制，對于授權(quán)頻段，非授權(quán)者不得隨意使用。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的研究表明，在大部分時間和地區(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。如何對不可再生的頻譜資源合理再利用并實現(xiàn)頻譜共享，已成為目前全球性的研究熱點。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)運而生了。

1.2 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，可以通過軟件升級實現(xiàn)功能提高。軟件無線電可以使整個系統(tǒng)（包括用戶終端和網(wǎng)絡(luò)）采用動態(tài)的軟件編程對設(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[1-3]。

人們逐漸認(rèn)識到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、測控等。而軟件無線電論壇對軟件無線電的定義更加全面、系統(tǒng)，它強調(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，同時強調(diào)通過動態(tài)的軟件編程可以對相同的硬件進(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。相比一個無線電系統(tǒng)，SDR更像是一種設(shè)計方法和設(shè)計理念。第3種定義強調(diào)平臺硬件結(jié)構(gòu)簡單化，便于重構(gòu)和升級的構(gòu)件化功能軟件[4]。

從上述討論中，我們對軟件無線電的特點有了一定的認(rèn)識，其具體特點可以概況為：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。簡單地說，具備這些特點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。

對于軟件無線電，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)中的實際SDR架構(gòu)[5]。

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、測控、衛(wèi)星載荷以及民用廣播電視等整個無線電工程領(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)展勢頭更猛，已遍布到無線電工程的每一個角落：從3G到4G，從美軍的多頻段多模式電臺（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、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[6]，以適應(yīng)未來導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展需要。

1.3 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[7]，是對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，它可以自動感知周圍的電磁環(huán)境，通過無線電知識描述語言（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參數(shù)（包括通信頻率、發(fā)射功率、調(diào)制方式、帶寬等）實時地調(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)計原則是將SDR、傳感器、感知和自主機器學(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、行動和學(xué)習(xí)（OOPDAL環(huán)）能力，來提供更好的信息質(zhì)量（QoI）[8]，并且利用SDR、傳感器、感知和AML集成在一起創(chuàng)造意識、自適應(yīng)和認(rèn)知無線電，在射頻和用戶域完成從簡單的感知或自適應(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[9]。認(rèn)知無線電架構(gòu)在計算智能和學(xué)習(xí)能力上提升了軟件無線電。

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

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、指南針等。

·系統(tǒng)應(yīng)用，例如玩網(wǎng)游等獨立于媒體的服務(wù)。

·SDR功能，包括射頻感知和SDR無線應(yīng)用。

·認(rèn)知功能，用于系統(tǒng)控制的符號訓(xùn)練、計劃和學(xué)習(xí)。

·本地效應(yīng)器功能，包括語音合成、文本、圖形和多媒體顯示。

認(rèn)知無線電的主要特點是它的重構(gòu)能力，它不僅要完成最主要的通信功能，同時還需要具備包括信道搜索與信號分析在內(nèi)的電子偵察的功能。認(rèn)知無線電的體系結(jié)構(gòu)[10]如圖5所示。

頻譜分析主要完成對“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”的時間分布特性等。另外，頻譜分析還需完成對新信號的調(diào)制識別、信號參數(shù)測量等，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，對該通信信道所進(jìn)行的“在線”檢測，一旦發(fā)現(xiàn)有“干擾”信號存在（該干擾可能是授權(quán)用戶信號，也可能是無意或有意的干擾信號），立即進(jìn)行“頻譜搬移”，主動讓出該信道，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，同時主動發(fā)向?qū)Ψ剑⒌却龑Ψ降幕貓?zhí)。

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

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

協(xié)議分析主要完成對鏈路建立信號解調(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能力，具有多功能特征，但其功能實現(xiàn)還需要借助于軟件無線電來實現(xiàn)。

1.4 SDR和CR的關(guān)系

認(rèn)知無線電的主要特點之一就是自適應(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現(xiàn)方式就是圍繞SDR來進(jìn)行設(shè)計，也就是說，SDR技術(shù)可以認(rèn)為是CR技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)內(nèi)核。正如Joseph Mitola博士所說，CR是對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。

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，我們會發(fā)現(xiàn)：SDR關(guān)注的是采用軟件方式實現(xiàn)無線電系統(tǒng)信號的處理，而CR強調(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)，實現(xiàn)最佳適配。從這個意義上講，CR是更高層的概念，不僅包括信號處理，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。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，對于軟件無線電平臺的開發(fā)，對軟件無線電應(yīng)用以及認(rèn)知無線電的開發(fā)都具有重要意義。在第2講中我們將重點介紹CR技術(shù)的基礎(chǔ)核心SDR的架構(gòu)，以期對相關(guān)軟件無線電和認(rèn)知無線電預(yù)研人員或正在跟蹤項目的開發(fā)人員提供技術(shù)信息支持。（待續(xù)）

參考文獻(xiàn)

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[9] Huseyin Arslan. 認(rèn)知無線電、軟件定義無線電和自適應(yīng)無線系統(tǒng)[M]. 任品毅， 吳廣恩譯. 西安： 西安交通大學(xué)出版社， 2010： 48-51.

[10] 楊小牛. 從軟件無線電到認(rèn)知無線電走向終極無線電——無線通信發(fā)展展望[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報， 2008， 3（1）： 1-7.

作者簡介

宋騰輝，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院電子與通信工程專業(yè)在讀碩士研究生；研究方向為寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計與信息處理。

竇崢，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士后；研究方向為寬帶通信系統(tǒng)，高速數(shù)字信號處理，基于軟件無線電的智能通信系統(tǒng)及一體化平臺設(shè)計、超寬帶通信信號處理等；目前主要承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國防基礎(chǔ)研究重點項目等8項項目工作；發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI、EI檢索共20篇。

林云，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院講師，工學(xué)博士；研究領(lǐng)域為寬帶信號處理；已參與完成基金項目12項，獲得國防科技進(jìn)步三等獎1項；已發(fā)表學(xué)術(shù)論文38篇，其中SCI檢索1篇，EI檢索15篇。

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作者簡介

宋騰輝，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院電子與通信工程專業(yè)在讀碩士研究生；研究方向為寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計與信息處理。

竇崢，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士后；研究方向為寬帶通信系統(tǒng)，高速數(shù)字信號處理，基于軟件無線電的智能通信系統(tǒng)及一體化平臺設(shè)計、超寬帶通信信號處理等；目前主要承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國防基礎(chǔ)研究重點項目等8項項目工作；發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI、EI檢索共20篇。

林云，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院講師，工學(xué)博士；研究領(lǐng)域為寬帶信號處理；已參與完成基金項目12項，獲得國防科技進(jìn)步三等獎1項；已發(fā)表學(xué)術(shù)論文38篇，其中SCI檢索1篇，EI檢索15篇。

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作者簡介

宋騰輝，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院電子與通信工程專業(yè)在讀碩士研究生；研究方向為寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計與信息處理。

竇崢，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士后；研究方向為寬帶通信系統(tǒng)，高速數(shù)字信號處理，基于軟件無線電的智能通信系統(tǒng)及一體化平臺設(shè)計、超寬帶通信信號處理等；目前主要承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國防基礎(chǔ)研究重點項目等8項項目工作；發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI、EI檢索共20篇。

林云，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院講師，工學(xué)博士；研究領(lǐng)域為寬帶信號處理；已參與完成基金項目12項，獲得國防科技進(jìn)步三等獎1項；已發(fā)表學(xué)術(shù)論文38篇，其中SCI檢索1篇，EI檢索15篇。