個主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知的主要功能是監(jiān)測可用頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析估計頻譜感知獲取的頻譜空洞的特性；頻譜判決根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

（2）重構(gòu)

重構(gòu)能力使得CR 設(shè)備可以根據(jù)無線環(huán)境動態(tài)編程，從而允許CR 設(shè)備采用不同的無線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)?？梢灾貥?gòu)的參數(shù)包括：工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等。重構(gòu)的核心思想是在不對頻譜授權(quán)用戶(LU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，利用授權(quán)系統(tǒng)的空閑頻譜提供可靠的通信服務(wù)。一旦該頻段被LU 使用，CR 有兩種應(yīng)對方式：一是切換到其它空閑頻段通信；二是繼續(xù)使用該頻段，但改變發(fā)射統(tǒng)率或者調(diào)制方案避免對LU 的有害干擾。

2.2 軟件無線電基本理論

軟件無線電是Joe Mitola 于1991 年提出的一種無線通信新概念,他指的是一種可重新編程或者可重構(gòu)的無線電系統(tǒng)。也就是說，這種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。軟件無線電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、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、測控、衛(wèi)星載荷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[12]。

傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)只能完成一項專屬的任務(wù)，比如接收電視信號、AM/FM 廣播信號，或者進行無線通信比如wifi 或者GSM 通信。每一種無線電系統(tǒng)有其專屬的無線制式，包括載頻、調(diào)制解調(diào)方式和功率等。不同的無線電系統(tǒng)間有不同的無線波形，不同的調(diào)解方式，不同的糾錯方式，它們之間不能夠相互通信。一種可以通過軟件就可以改變無線制式，而適應(yīng)不同的通信制式的新型無線電系統(tǒng)出現(xiàn)了，這就是軟件無線電。傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是由硬件實現(xiàn)的，當其設(shè)計完成后就不能改變了，而軟件無線電系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層能夠由軟件控制改變，在物理層調(diào)制解調(diào)的信號能由軟件控制，只有少部分由不可編程硬件實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層更是完全可有軟件控制，差錯控制和媒體介入?yún)f(xié)議可以根據(jù)要求任意改變。如圖2-1 所示：

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,已觸動到無線電工程的每一個角落:從3G 到4G,從美軍的MBMMR(多頻段多模式電臺)到JTRS (聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng))都是以軟件無線電概念進行設(shè)計、開發(fā)的，除了軍用外，民用或者科研領(lǐng)域，出現(xiàn)了sandbridge SDRcommunication platform, the virtual radio 和GNU Radio。

理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)如圖2-2 所示,其主要特點是盡可能地減少模擬處理環(huán)節(jié)。在接收端，信號由RF 前端接收，然后由ADC 將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后通過可編程器件的計算和處理亦即軟件無線電代碼的作用轉(zhuǎn)為信息。在發(fā)射端數(shù)字信號由軟件無線電代碼計算處理生成，然后由DAC 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號經(jīng)由RF 前端發(fā)射出去。

如圖2-2 所示的軟件無線電結(jié)構(gòu)適用于無線電工程的任何領(lǐng)域,如:通信、雷達、電子戰(zhàn)、測控等。因為,該硬件結(jié)構(gòu)與所要完成的功能無關(guān),它所完成的功能主要取決于軟件無線電代碼。這也是之所以稱其為“軟件” 無線電的原因所在。

一個理想的軟件無線電硬件能接收和發(fā)送所有頻率和任意制式的無線電。但是以現(xiàn)在的技術(shù)能力實現(xiàn)是有相當難度的。首先，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，該軟件無線電的工作帶寬有多寬，其AD 采樣至少是帶寬的兩倍，比如:對于工作在2～2 000MHz 的JTRS電臺,其采樣頻率至少是4 GHz，考慮到濾波器矩形系數(shù)，采樣頻率需要超過5GHz，如此高的采樣速率在高分辨率情況下至少在目前是難以實現(xiàn)的；其次，高的采樣速率對ADC 后續(xù)的信號處理( FPG A /DSP)也提出了非常高的要求，大大提高了信號處理部分的實現(xiàn)難度；最后，隨著電磁環(huán)境的復(fù)雜化，過寬的瞬時處理帶寬將導(dǎo)致對動態(tài)范圍的過高要求，無論是高增益的LNA 還是高速ADC，其動態(tài)范圍都將無法滿足實際需求。

針對理想軟件無線電結(jié)構(gòu)實際實現(xiàn)時存在的問題,作者對軟件無線電結(jié)構(gòu)進行了分類,提出了軟件無線電的三種基本結(jié)構(gòu)[ 13]:基于低通采樣的軟件無線電結(jié)構(gòu)、基于帶通采樣的寬帶中頻軟件無線電結(jié)構(gòu)和基于射頻直接帶通采樣的軟件無線電結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過十幾年全世界范圍的廣泛研究,軟件無線電得到了快速的發(fā)展,特別是軟件無線電以硬件為核心到以軟件為核心的設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變已滲透到無線電工程的各個領(lǐng)域,并將繼續(xù)深刻影響和引領(lǐng)無線電工程的未來發(fā)展。尤其是認知無線電的提出,將為軟件無線電帶來新的發(fā)展機遇和發(fā)展空間[14]。

2.3 認知軟件無線電基本理論

認知無線電最早是由Joseph Mitola 博士在1999 年提出的[15]。他描述了認知無線電怎樣通過一種“無線電知識描述語言”（RKRL）的新語言來提高個人無線業(yè)務(wù)的靈活性。但是隨著無線電技術(shù)的高速發(fā)展，到現(xiàn)在，認知無線電的研究和應(yīng)用已經(jīng)不局限在最早的范疇當中。在各個方向、領(lǐng)域的研究人員從各自的角度提出了認知無線電的定義和內(nèi)涵。

（1）Mitola 的初始定義

Mitola在2000 年瑞典皇家科學(xué)院的博士論文答辯中，提出了這樣的觀點。他認為：“認知無線電這個術(shù)語確定了這樣一個觀點，在無線資源和相關(guān)的計算機與計算機之間通信方面，無線個人數(shù)字助理(Personal DigitalAssistant，PDA)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)具有足夠的計算智能，包括檢測用戶的通信需求作為使用環(huán)境的函數(shù)以及提供最符合這些需求的無線資源和服務(wù)。”

為了實現(xiàn)認知無線電與外界環(huán)境良好的交互功能，Joseph Mitola 博士在論文中提出了認知環(huán)的思想，如圖2-3 所示。

外界激勵作為一種干擾進入認知無線電系統(tǒng)，并被分配到認知環(huán)中等待響應(yīng)。認知無線電系統(tǒng)不斷地經(jīng)歷觀察（observe），定位(orient)，計劃(plan)，決定(decide)與執(zhí)行(act)五種狀態(tài)。其中每種狀態(tài)都要涉及到人工智能學(xué)習(xí)(learn)。

在觀察階段，認知無線電也通過讀取測位、溫度等傳感器來推斷用戶的前后通信環(huán)境。認知無線電可通過決定外界刺激的優(yōu)先級來對自己進行定位，比如，動力故障能夠直接引起執(zhí)行階段的反應(yīng)，在圖中是以“立即”表示。通常情況下，認知無線電會對輸入信息產(chǎn)生計劃，在圖中是以“正常”表示。在判決階段，認知無線電在將從候選計劃中做出最合適的選擇，在執(zhí)行階段觸動選中的程序。學(xué)習(xí)以觀察和決定階段的功能函數(shù)，比如，將目前和先前的內(nèi)部狀態(tài)與期望值進行比較，認知無線電就能夠知道現(xiàn)在通信模型的有效性。

（2）Simon Haykin 從信號處理角度提出的定義

SimonHaykin 教授結(jié)合Mitola 博士對認知無線電的解釋，在一篇名為“ConitiveRadio：Brain-Empowered WirelessCommunications”的文章里，給出了認知無線電一種新的定義：“認知無線電是一個智能無線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實時改變某些操作參數(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)接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化，從而實現(xiàn)在任何時間任何地點的高度可靠通信以及對頻譜資源的有效利用”。圖2-4 是基于Simon Haykin理論上的認知環(huán)結(jié)構(gòu)：

主要包括了三部分的內(nèi)容：

a.無線頻譜探測；
b.信道狀態(tài)估計與預(yù)測；
c.發(fā)射功率控制與頻譜管理。

（3）美國聯(lián)邦通信委員會FCC 從頻譜管理角度提出的定義

現(xiàn)在由于通信系統(tǒng)對頻譜資源需求的不斷地增加，頻譜資源利用日益明顯。美國聯(lián)邦通信委員會充分注意到這一點情況，開始重新思考新的頻譜資源管理政策，并在2003年5 月的認知無線電研討會上，討論了利用認知無線電技術(shù)實現(xiàn)靈活頻譜利用的相關(guān)技術(shù)問題。

FCC對認知無線電做出了相對狹隘的一個定義：“認知無線電是指能夠通過與工作環(huán)境的交互，改變發(fā)射機參數(shù)的無線電設(shè)備。認知無線電的主體可能是軟件定義無線電(Software Defined Radio，SDR)，但既沒有軟件也沒有現(xiàn)場可編程的要求。”

FCC認為，實現(xiàn)認知無線電需要高度的靈活性來適應(yīng)快變的信道質(zhì)量和干擾環(huán)境。在報告中，F(xiàn)CC 進一步描述了認知無線電五種可能應(yīng)用領(lǐng)域：
a.在低人口密度和低頻譜使用率（如郊區(qū)）的區(qū)域可以增加發(fā)射功率8dB；
b.主用戶可以中斷的方式向認知無線電用戶出租頻譜；
c.利用用戶的空間和時間特性動態(tài)協(xié)調(diào)頻譜共享；
d.促進不同系統(tǒng)間的互操作；
e.利用發(fā)射功率控制和環(huán)境判決實現(xiàn)多跳射頻網(wǎng)絡(luò)(multi-hop RF network)。

綜合比較三種定義可以得知：Mitola的認知概念與現(xiàn)在的技術(shù)水平要求相距比較大；FCC 僅僅是從充分利用頻譜的角度引入認知無線電；而Simon Haykin 教授的定義較好地整合了數(shù)字信號處理、網(wǎng)絡(luò)、人工智